Ông sinh tại thành phố New York, con của Freed M. và Beatrice Borg Stein. Ông theo học ở Đại học Harvard, rồi Đại học Columbia và đậu bằng tiến sĩ. Ông giảng dạy và nghiên cứu ở Đại học Rockefeller. Năm 1958, ông và Stanford Moore phát triển máy phân tích axít amin tự động đầu tiên, tạo dễ dàng cho việc xác định các chuỗi peptide.

Năm 1972, ông đoạt Giải Nobel Hóa học chung với Christian Boehmer Anfinsen và Stanford Moore, cho công trình nghiên cứu của họ về ribonuclease và cho đóng góp của họ vào sự hiểu rõ mối liên hệ giữa cấu trúc hóa học và sự xúc tác của phân tử ribonuclease.