1944年12月，穆利斯生于美国北卡罗莱纳州。

20世纪50年代，穆利斯即对化学萌生了浓厚的兴趣，当他还是一名高中生时就学会了如何用化学方法合成和制造用于火箭推进的固体燃料。因此，他在大学时期理所当然选择了化学专业。

1966年，穆利斯毕业于佐治亚理工学院化学系。

1972年，穆利斯在加州大学伯克利分校取得生物化学博士学位，其研究工作集中于如何合成蛋白质、研究蛋白质的结构。在经历两年博士后工作后，穆利斯随后前往生物技术公司Cetus任职。穆利斯在Cetus做了7年的DNA化学家。

1983年，穆利斯发明了PCR技术。

1993年，因为发明PCR技术，穆利斯和迈克尔·史密斯分享了诺贝尔化学奖，同年还获得日本国际奖。获得诺奖后，穆利斯说，他是在从伯克利开车去门多西诺的途中想到这一突破，在一条黑暗的路上，他“灵光一闪解决了DNA化学中最令人头疼的问题”。