Severo Ochoas Fähigkeit, RNA im Labor zu synthetisieren, markierte das erste Mal, dass es Wissenschaftlern gelang, Moleküle außerhalb eines lebenden Organismus zu einer Kette zu verbinden, ein Wissen, das sich später als ein wesentlicher Schritt zur Schaffung von Leben im Reagenzglas erweisen sollte. Für diese Arbeit erhielt Ochoa 1959 den Nobelpreis. Neben seiner Arbeit im Labor unterrichtete der in Spanien ausgebildete Arzt viele Generationen von Medizinstudenten der New York University in Biochemie und Pharmakologie.
Severo Ochoa wurde am 24. September 1905 in Luarca, einer kleinen Stadt im Norden Spaniens, geboren. Benannt nach seinem Vater, einem Rechtsanwalt, war Ochoa der jüngste Sohn der Familie. Er lebte in dieser Bergstadt bis zu seinem siebten Lebensjahr, als seine Eltern beschlossen, nach Málaga, Spanien, umzuziehen. Der Umzug ermöglichte dem jungen Severo den Zugang zu einer Privatschule, die ihn auf den Besuch des Málaga College vorbereitete, das mit einer amerikanischen High School vergleichbar ist. Zu diesem Zeitpunkt wusste Ochoa bereits, dass er eine Karriere in den Naturwissenschaften anstreben würde; die einzige Frage, die sich ihm stellte, war, auf welches Gebiet er sich spezialisieren würde. Da Ochoa die Mathematik am Málaga College als sehr anstrengend empfand, entschied er sich gegen eine Laufbahn als Ingenieur, für die solche Fähigkeiten unerlässlich sind. Stattdessen plante er, Biologie zu studieren. Nachdem Ochoa 1921 seinen Bachelor of Arts in Málaga erhalten hatte, studierte er ein Jahr lang die für ein Medizinstudium erforderlichen Fächer, damals Physik, Chemie, Biologie und Geologie. 1923 immatrikulierte er sich an der Medizinischen Fakultät der Universität Madrid.
In Madrid träumte Ochoa davon, bei dem spanischen Neurohistologen Santiago Rámon y Cajal zu studieren, doch diese Hoffnung zerschlug sich schnell, als er erfuhr, dass der 70-jährige Histologieprofessor sich aus der Lehre zurückgezogen hatte, obwohl er noch ein Labor in Madrid betrieb. Ochoa zögerte jedoch, Cajal selbst im Labor anzusprechen, da er dachte, der ältere Mann sei zu beschäftigt, um sich um einen unwichtigen Studenten zu kümmern. Am Ende seines zweiten Studienjahres hatte Ochoa seinen Wunsch, biologische Forschung zu betreiben, bestätigt und nahm das Angebot seines Professors an, in einem nahegelegenen Labor zu arbeiten.
Die Medizinische Fakultät selbst verfügte über keine Forschungseinrichtungen, aber Ochoas Physiologielehrer unterhielt ein kleines Forschungslabor unter der Schirmherrschaft des Rates für wissenschaftliche Forschung in der Nähe. In Zusammenarbeit mit einem Klassenkameraden meisterte Ochoa zunächst die relativ routinemäßige Laboraufgabe der Isolierung von Kreatinin – einer weißen, kristallinen Verbindung – aus Urin. Danach wandte er sich der anspruchsvolleren Aufgabe zu, die Funktion und den Stoffwechsel von Kreatinin, einer stickstoffhaltigen Substanz, im Muskel zu untersuchen. Den Sommer nach seinem vierten Jahr an der medizinischen Fakultät verbrachte er in einem Labor in Glasgow, um die Arbeit an diesem Problem fortzusetzen. Ochoa schloss sein Medizinstudium 1929 ab.
Um seine wissenschaftliche Ausbildung zu vertiefen, bewarb sich Ochoa um ein Postdoc-Stipendium bei Otto Meyerhof am Kaiser-Wilhelm-Institut in einem Vorort von Berlin. Obwohl der Rat für wissenschaftliche Forschung ihm ein Stipendium für diese Studien angeboten hatte, lehnte Ochoa das Angebot ab, da er selbst für seine Kosten aufkommen konnte. Er war der Meinung, dass das Geld jemandem zugute kommen sollte, der bedürftiger war als er selbst. Ochoa genoss seine Arbeit unter Meyerhof und blieb ein Jahr lang in Deutschland.
Am 8. Juli 1931 heiratete er Carmen García Cobian, die Tochter eines spanischen Anwalts und Geschäftsmannes, und zog mit seiner frisch angetrauten Frau nach England, wo er ein Stipendium der Universität Madrid erhielt, um am Londoner National Institute for Medical Research zu studieren. In England lernte Ochoa Sir Henry Hallett Dale kennen, der später für seine Entdeckung der chemischen Übertragung von Nervenimpulsen den Nobelpreis für Medizin 1936 erhalten sollte. In seinem ersten Jahr am Institut untersuchte Ochoa das Enzym Glyoxalase, und im darauf folgenden Jahr begann er, direkt mit Dale zusammenzuarbeiten und zu untersuchen, wie die Nebennieren die Chemie der Muskelkontraktion beeinflussen. 1933 kehrte er an seine Alma Mater, die Universität von Madrid, zurück, wo er zum Dozenten für Physiologie und Biochemie ernannt wurde.
Nach zwei Jahren nahm Ochoa eine neue Stelle an. Einer der Leiter der medizinischen Fakultät plante die Gründung eines Instituts für medizinische Forschung mit Abteilungen für Biochemie, Physiologie, Mikrobiologie und experimentelle Medizin. Das Institut sollte zum Teil von der Universität Madrid unterstützt werden, die ihm Räumlichkeiten in einem ihrer neuen medizinischen Fakultätsgebäude zur Verfügung stellte, und zum Teil von wohlhabenden Mäzenen, die ein beträchtliches Budget für Ausrüstung, Gehälter und Material bereitstellen wollten. Der Direktor des neuen Instituts bot dem jungen Ochoa die Leitung der Abteilung für Physiologie an, die er annahm, und stellte ihm drei Mitarbeiter zur Seite. Wenige Monate, nachdem Ochoa seine Arbeit aufgenommen hatte, brach in Spanien jedoch der Bürgerkrieg aus. Um seine Arbeit fortsetzen zu können, beschloss Ochoa im September 1936, das Land zu verlassen. Er und seine Frau emigrierten nach Deutschland, das Ende 1936 selbst kaum ein stabiles Land war.
Als Ochoa ankam, stellte er fest, dass sein Mentor Meyerhof, der Jude war, unter erheblichem politischen und persönlichen Druck stand. Der deutsche Wissenschaftler ließ sich davon nicht von seiner Arbeit abhalten, obwohl Ochoa zu seiner Überraschung feststellte, dass sich die Art der Forschung, die Meyerhof betrieb, in den sechs Jahren, in denen er ihn zuletzt gesehen hatte, drastisch verändert hatte. So schrieb er in einem Rückblick für die Annual Review of Biochemistry über das Labor: „Als ich es 1930 verließ, war es im Wesentlichen ein physiologisches Labor; man konnte überall Muskeln zucken sehen. Im Jahr 1936 war es ein biochemisches Labor. Glykolyse und Fermentation in Muskel- oder Hefeextrakten oder Teilreaktionen dieser Prozesse, die durch gereinigte Enzyme katalysiert wurden, waren die Hauptuntersuchungsgegenstände.“ Meyerhofs veränderter Forschungsschwerpunkt beeinflusste Ochoas eigene Arbeit, auch wenn er weniger als ein Jahr im Labor studierte, bevor Meyerhof nach Frankreich floh.
Bevor Meyerhof abreiste, sorgte er jedoch dafür, dass sein Schützling nicht gestrandet war, und vermittelte Ochoa ein sechsmonatiges Stipendium am Marine Biological Laboratory in Plymouth, England. Obwohl dieses Stipendium nur ein halbes Jahr dauerte, genoss Ochoa seine Zeit dort, nicht zuletzt weil seine Frau Carmen begann, mit ihm im Labor zu arbeiten. Ihre Zusammenarbeit führte später zur Veröffentlichung einer gemeinsamen Arbeit in Nature. Nach sechs Monaten musste Ochoa jedoch weiterziehen, und Freunde im Labor vermittelten ihm eine Stelle als Forschungsassistent an der Universität Oxford. Zwei Jahre später, als England in den Krieg eintrat, konzentrierte sich die biochemische Abteilung der Universität Oxford ganz auf die Kriegsforschung, an der Ochoa als Ausländer nicht teilnehmen konnte. Also machten sich die Ochoas 1940 erneut auf den Weg, diesmal über den Atlantik, um im Labor von Carl Ferdinand Cori und Gerty T. Cori in St. Louis zu arbeiten. Das Cori-Labor, das zur Washington University School of Medicine gehörte, war bekannt für seine Spitzenforschung auf dem Gebiet der Enzyme und des intermediären Stoffwechsels von Kohlenhydraten. Diese Arbeit umfasste die Untersuchung der biochemischen Reaktionen, bei denen Kohlenhydrate Energie für zelluläre Vorgänge erzeugen. Ochoa arbeitete dort ein Jahr lang, bevor ihn die New York University überredete, in den Osten zu ziehen und eine Stelle als wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Medizin am Bellevue Psychiatric Hospital anzunehmen, wo er zum ersten Mal Doktoranden und Postdoktoranden unter sich arbeiten ließ.
1945 wurde Ochoa zum Assistenzprofessor für Biochemie an der medizinischen Fakultät befördert. Als zwei Jahre später der Lehrstuhl für Pharmakologie in den Ruhestand ging, wurde Ochoa angeboten, dessen Nachfolge anzutreten, und er nahm an, angelockt von der Aussicht auf neue Laborräume. Er blieb neun Jahre lang Lehrstuhlinhaber und nahm 1949 ein Sabbatjahr, um als Gastprofessor an der University of California zu arbeiten. Seine Verwaltungstätigkeit hielt ihn jedoch nicht davon ab, seinen Forschungsinteressen in der Biochemie nachzugehen. Anfang der 1950er Jahre isolierte er eine der chemischen Verbindungen, die für die Photosynthese notwendig sind, das Triphosphopyridin-Nukleotid, bekannt als TPN. Ochoa setzte sein Interesse am Intermediärstoffwechsel fort und erweiterte die Arbeiten von Hans Adolf Krebs, der die Idee eines Zyklus vertrat, in dem die Nahrung in Adenosintriphosphat (ATP) umgewandelt wird, das Molekül, das der Zelle Energie liefert. Der spanische Wissenschaftler entdeckte, dass ein Molekül Glukose bei der Verbrennung mit Sauerstoff 36 ATP-Moleküle erzeugt. Als der Vorsitzende der biochemischen Abteilung 1954 zurücktrat, nahm Ochoa diese Gelegenheit wahr, um als Lehrstuhlinhaber und ordentlicher Professor an die Abteilung zurückzukehren.
Nachdem er sich in der biochemischen Forschung etabliert hatte, wandte Ochoa seine Aufmerksamkeit einem neuen Gebiet zu: dem schnell wachsenden Bereich der Desoxyribonukleinsäureforschung (DNA). Zu Beginn seiner Laufbahn waren Enzyme die neuen, heiß begehrten Moleküle, mit denen sich die Biochemiker beschäftigten; jetzt, nach der entscheidenden Arbeit von James Watson und Francis Crick im Jahr 1953, faszinierten die Nukleinsäuren die Wissenschaftler auf diesem Gebiet. Ochoa war da keine Ausnahme. Aufbauend auf seiner früheren Arbeit mit Enzymen begann Ochoa zu untersuchen, welche Enzyme bei der Bildung von Nukleinsäuren im Körper eine Rolle spielen. Obwohl die meisten Enzyme beim Abbau von Materialien helfen, wusste Ochoa, dass er nach einem Enzym suchte, das bei der Verbindung von Nukleotiden zu den langen Ketten der Nukleinsäuren hilft. Sobald er diese Moleküle isoliert hatte, so hoffte er, würde er in der Lage sein, RNA und DNA im Labor zu synthetisieren. Im Jahr 1955 fand er in Abwässern ein bakterielles Enzym, das genau diese Funktion zu erfüllen schien. Als er dieses Enzym zu einer Lösung von Nukleotiden gab, stellte er fest, dass die Lösung zähflüssig wurde, wie Gelee, was darauf hindeutete, dass sich in der Schale tatsächlich RNA gebildet hatte. Im folgenden Jahr wandte Arthur Kornberg, der 1946 bei Ochoa studiert hatte, diese Methoden an, um DNA zu synthetisieren.
Im Jahr 1959, fünf Jahre nachdem er die Leitung der biochemischen Abteilung übernommen hatte, teilte sich Ochoa den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin mit Kornberg, für ihre Arbeit bei der Entdeckung der Enzyme, die zur Herstellung von Nukleinsäuren beitragen. Ochoa freute sich zwar besonders darüber, den Preis mit seinem alten Kollegen zu teilen, aber akademische Ehrungen waren ihm zu diesem Zeitpunkt bereits nicht mehr fremd. Ochoa, der mehrere Ehrentitel amerikanischer und ausländischer Universitäten, darunter Oxford, erhalten hatte, war 1951 mit der Carl-Neuberg-Medaille für Biochemie und 1955 mit dem Charles-Leopold-Mayer-Preis ausgezeichnet worden. Ochoa war 20 Jahre lang, bis zum Sommer 1974, kurz vor seinem siebzigsten Geburtstag, Vorsitzender der biochemischen Abteilung der NYU. Geburtstag. Als er von diesem Posten zurücktrat, lehnte er das Angebot der Fakultät ab, ihn zum emeritierten Professor zu machen, und zog es vor, als ordentlicher Professor im Dienst zu bleiben. Aber auch das konnte Ochoa nicht ausreichend beschäftigen. Im Jahr 1974 ging er an das Roche Institute of Molecular Biology in New Jersey.
1985 kehrte er als Professor für Biologie an der Universität Autonoma in Madrid in seine Heimat Spanien zurück, um seine lebenslange Faszination für die biochemische Forschung fortzusetzen. Im Alter von 75 Jahren schrieb Ochoa einen Rückblick auf sein Leben, den er mit „Pursuit of a Hobby“ betitelte. In der Einleitung zu diesem Werk erläuterte er die Wahl des Titels: Bei einer Party, die in den vierziger Jahren zu Ehren zweier Chemienobelpreisträger gegeben wurde, gab Ochoa in der Gästeliste sein Hobby als Biochemie an, obwohl er Professor für Pharmakologie an der New York University war. Sir Henry Dale, einer der Ehrengäste der Party, scherzte: „Jetzt, wo er Pharmakologe ist, hat er Biochemie als Hobby“. Ochoa schloss diese Erzählung mit der Aussage: „In meinem Leben war die Biochemie mein einziges und wirkliches Hobby.“
Severo Ochoa starb am 1. November 1993 in Madrid.