En 1947 comenzó su carrera científica en el laboratorio de Carl Gustaf Bernhard en el Instituto Karolinska, donde se licenció en Medicina en 1954.
En 1955 se mudó a los Estados Unidos para trabajar en la Facultad de Medicina Johns Hopkins con Stephen Kuffler.
Ese mismo año conoció a David Hubel, iniciando una colaboración que duraría más de veinte años.
Los experimentos de Hubel y Wiesel ampliaron enormemente el conocimiento científico del procesamiento sensorial.
Estos estudios mostraron cómo el sistema visual construye una imagen a partir de estímulos simples hasta representaciones más complejas.
Estos gatos tampoco desarrollaron áreas que recibieran información de ambos ojos, una característica necesaria para la visión binocular y la estereopsis.
El republicano Tommy Thompson, que en aquel momento era Secretario de Salud y Servicios Humanos, rechazó a Wiesel.
En 2007, tanto Wiesel como Hubel recibieron la medalla Marshall M. Parks, MD de la Children's Eye Foundation.