Estudió química en la Universidad de Columbia, por la que se doctoró en 1915.
En el año 1938 aisló y cristalizó el primer bacteriófago, un pequeño virus parásito que ataca bacterias, determinando que se trataba de una nucleoproteína.
En 1946 señaló el proteinógeno como la sustancia madre de todas las proteínas presentes en las carnes, enzimas, virus y anticuerpos.
Obtuvo en 1946 el Premio Nobel de Química (la mitad del cual compartió con Wendell Meredith Stanley por sus aportaciones a "la representación fiel de las enzimas y las viru-proteínas"), recayendo la mitad restante del Premio de dicho año en el químico James Batcheller Sumner.
En 1917, Northrop se casó con Louise Walker (1891-1975), con la que tuvo dos hijos: Juan, un oceanógrafo, y Alice, que se casó con el Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1954 Frederick C. Robbins.