[1] Davis nació en Washington D. C. Su padre era fotógrafo del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología.
Pasó varios años como niño cantor para complacer a su madre, aunque no tenía buen oído para la música.
Disfrutaba asistir a los conciertos en Watergate antes de que el tráfico aéreo fuera lo suficientemente fuerte como para atenuar la música.
En 1948, se unió al Laboratorio Nacional de Brookhaven, que intentaba encontrar usos pacíficos para la energía nuclear.
[3] Davis afirma que se le pidió "encontrar algo interesante en qué trabajar" y dedicó su carrera al estudio de los neutrinos, partículas que se habían predicho para explicar el proceso de la desintegración beta, pero cuya existencia separada no se había confirmado.
Davis investigó la detección de neutrinos mediante la desintegración beta, el proceso por el cual un neutrino aporta suficiente energía a un núcleo para convertir ciertos isótopos estables en radioactivos.
Desplegó un detector que contenía átomos de cloro en el reactor Brookhaven en 1954 y luego en uno de los reactores del río Savannah, Carolina del Sur.
Estos experimentos no lograron detectar un exceso de argón radioactivo cuando los reactores estaban en funcionamiento o cuando estaban apagados, y esto fue tomado como la primera evidencia experimental de que los neutrinos que causaban la reacción del cloro, y los antineutrinos producidos en los reactores, eran distintos.
Davis fue el científico principal detrás del Experimento Homestake, el detector de neutrinos radioquímicos a gran escala que detectó por primera vez evidencia de neutrinos provenientes del sol.
Tuvieron cinco hijos y vivieron juntos en Blue Point, Nueva York, durante más de 50 años.