Az első világháború kitörésekor a Budapesti Tudományegyetem Orvostudományi Karának volt a hallgatója, s frontszolgálatra hívták be. Medikus katonaorvosként ezüst vitézségi érmet kapott, de mert értelmetlennek tartotta a háborút, s ennek hangot is adott, sebesülése után hamar leszerelték.
1917-ben diplomázott, külföldön folytatott biológiai, gyógyszertani, bakteriológiai tanulmányokat, majd Cambridge-ben kémiai doktorátust szerzett, s megismerkedett az elektronfizikával, a kvantummechanikával is. Első tanulmánya a sejtlégzés mechanizmusával foglalkozott, kísérletekkel igazolta az oxidáció-redukció elektronátadási folyamatát. 1928-ban tért haza, s elvállalta a Kolozsvárról Szegedre áthelyezett tudományegyetem biokémiai tanszékének vezetését.
Még Cambridge-ben, a sejtlégzést vizsgálva figyelte meg, hogy egy jellegzetes oxidációs folyamat valamiért lassúbb a vártnál, ami egy redukáló anyag jelenlétére utalt. Ezt a redukáló anyagot a mellékvese mellett a káposztából és a narancsból is sikerült kivonnia, s ignóznak (nemismerem-cukornak), majd – mivel az anyagnak feltételezései szerint hat szénatomja volt – a tudóstársai számára elfogadhatóbb hexuronsavnak nevezte el (a hex görögül hatot jelent).
Több mázsa mellékveséből 25 grammot elő is állított, de a csekély mennyiség nem tette lehetővé a beható vizsgálatot. 1931-ben immár itthon, Szegeden bizonyították be a magyar származású amerikai Joseph Svirbely kémikussal együtt folytatott kísérletei, hogy ez az anyag a C-vitaminnal azonos, amelyet addig kémiailag nem ismertek, csak skorbutellenes hatásáról tudtak.
Szent-Györgyiék 1932. április 15-én tették közzé felfedezésüket a Nature című folyóiratban, ám az amerikai Charles Glen King már két héttel előbb tett a Science-ben hasonló bejelentést. Több évig tartó vita után kiderült, hogy Szent-Györgyi már március 18-án, a budapesti Orvosegyletben kijelentette, hogy a hexuronsav és a C-vitamin ugyanaz az anyag, így övé lett az elsőbbség. Ő ismerte fel azt is, hogy a szegedi pirospaprika sokkal többet tartalmaz az általa aszkorbinsavnak (skorbutellenes anyagnak) elnevezett C-vitaminból, mint a citrusfélék.
Szent-Györgyit 1934-ben jelölték az orvosi Nobel-díjra, de azt csak 1937. október 28-án ítélte neki a svéd Karolinska Intézet. Az 1937. évi élettani és orvosi Nobel-díjat az indoklás szerint „a biológiai égési folyamatok terén tett felfedezéséért” kapta meg, „különösen a C-vitamin, valamint a fumársav-katalízis vonatkozásában”. Az érmet Szegedre vitte, a második világháború kezdetén a Magyar Nemzeti Múzeum megvásárolta tőle, a múzeumtól kapott összeget a finn–szovjet háború finnországi áldozatainak ajánlotta fel.
A Nobel-díj átvételekor öröme felhőtlen volt, mivel meg volt győződve arról, hogy felfedezése nem szolgálhatja az öldöklést. Néhány évvel később aztán rezignáltan kellett tudomásul vennie, hogy a náci Németországban olyan aszkorbinsav-készítményt kezdtek gyártani, amelynek révén a tengeralattjárók legénysége hónapokig képes volt a nyílt tengeren az ellenséges hajókra vadászni...
Szent-Györgyi Albert 1936-ban a hajszálerek áteresztőképességét szabályozó flavonokat izolált, ez az anyag volt a P-vitamin. Az izomszövetek oxigénfelvételét tanulmányozva vizsgálta a tejsav szén-dioxiddá alakulását, s azt tapasztalta, hogy négy szerves dikarbonsav katalitikus módon fokozza a szövetlégzést – ez vezetett a citrátkör felfedezéséhez.
A modern, szókimondó, közvetlen Szent-Györgyi a Nobel-díj dacára is csak nehezen nyerte el az akadémiai tagságot. A második világháború idején titkos diplomáciai küldetést is vállalt, majd 1944 őszén illegalitásba vonult, mert Hitler személyesen adott parancsot elfogására: a svéd követségről csempészték át már szovjet ellenőrzés alatt álló területre. 1945 után pártonkívüli meghívott parlamenti képviselő volt. 1947-ben – mivel úgy látta, a kommunista párt egyre növekvő hatalma az általa képviselt értékeket és személyes szabadságát is veszélyezteti – svájci szabadságáról az Egyesült Államokba utazott.
A massachusettsi Woods Hole-ban telepedett le, az Oceanográfiai Intézet számára létrehozott Izomkutató Laboratóriumban folytatta munkáját. Főként a sejtlégzéssel, izombiokémiával, biogenetikával és rákkutatással foglalkozott, s Őrült majom címmel könyvet írt, amelyben az emberiség túlélési esélyeivel foglalkozott. Magyarországgal mindvégig fenntartotta kapcsolatait, 1976-ban tagja volt a Szent Koronát hazahozó amerikai delegációnak.
Szent-Györgyi Albert 93 éves korában, 1986. október 22-én hunyt el Woods Hole-ban. Emlékét Szegeden szobor, mellszobor és emléktábla őrzi, nevét viseli az itteni egyetem Klinikai Központja, valamint számos iskola az országban. A Tisza-parti városban állandó kiállítás mutatja be a tudós hagyatékát, személyes tárgyait, munkaeszközeit és a Nobel-díj másolatát. 2012 Szent-Györgyi-emlékév volt Magyarországon.
