Severo Ochoa laboratóriumi RNS-szintézisének képessége jelentette az első alkalmat, amikor a tudósoknak sikerült élő szervezeten kívüli molekulákat láncban összekapcsolniuk, ami később alapvető lépésnek bizonyult ahhoz, hogy a tudósok kémcsőben életet tudjanak létrehozni. E munkájáért Ochoa 1959-ben Nobel-díjat kapott. Laboratóriumi munkája mellett a Spanyolországban orvosnak tanult Ochoa biokémiát és farmakológiát tanított a New York-i Egyetem orvostanhallgatóinak több generációjának.
Severo Ochoa 1905. szeptember 24-én született Luarcában, egy észak-spanyolországi kisvárosban. Az ügyvéd apja után elnevezett Ochoa volt a család legfiatalabb fia. Hétéves koráig ebben a hegyvidéki városban élt, amikor szülei úgy döntöttek, hogy a spanyolországi Málagába költöznek. A költözésnek köszönhetően a fiatal Severo magániskolai oktatásban részesült, amely felkészítette őt az amerikai középiskolákhoz hasonló Málaga College-ba való bejutásra. Ochoa ekkor már tudta, hogy végül a természettudományok területén fog karriert befutni; a kérdés csak az volt, hogy melyik területre fog szakosodni. Mivel Ochoa a Málaga College-ban a matematikát nagyon megterhelőnek találta, úgy döntött, hogy nem a mérnöki pályát választja, ahol ezek a készségek elengedhetetlenek lennének. Ehelyett biológiát tervezett tanulni. Miután Ochoa 1921-ben megkapta a Málaga College-ban a diplomáját, egy évet töltött az orvosi egyetem előkövetelményeinek – akkoriban fizika, kémia, biológia és geológia – tanulmányozásával. 1923-ban beiratkozott a madridi egyetem orvosi karára.
A madridi egyetemen Ochoa álmai arról szóltak, hogy a spanyol neurohisztológus, Santiago Rámon y Cajal mellett tanul, de ezek hamar szertefoszlottak, amikor megtudta, hogy a 70 éves szövettanprofesszor visszavonult a tanítástól, bár még mindig vezetett egy laboratóriumot Madridban. Ochoa azonban még a laboratóriumban is habozott Cajalhoz közeledni, mert úgy gondolta, hogy az idős férfi túlságosan elfoglalt ahhoz, hogy egy jelentéktelen diákkal foglalkozzon. Ennek ellenére az orvosi egyetem második évének végére Ochoa megerősítette, hogy biológiai kutatással szeretne foglalkozni, és ráugrott professzora egyik ajánlatára, hogy állást ajánl neki egy közeli laboratóriumban.
Az orvosi egyetem maga nem rendelkezett kutatási létesítményekkel, de Ochoa élettan tanára a Tudományos Kutatási Tanács égisze alatt egy kis kutatólaboratóriumot működtetett egy kis távolságra. Egy osztálytársával együtt dolgozva Ochoa először sajátította el a kreatinin – egy fehér, kristályos vegyület – vizeletből történő izolálásának viszonylag rutinszerű laboratóriumi feladatát. Innen áttért arra a nehezebb feladatra, hogy tanulmányozza a kreatin, egy nitrogéntartalmú anyag működését és anyagcseréjét az izomban. Az orvosi egyetem negyedik évét követő nyarat egy glasgow-i laboratóriumban töltötte, ahol folytatta a munkát ezen a problémán. Ochoa 1929-ben kapta meg az orvosi diplomáját.
A tudományos továbbképzés érdekében Ochoa posztdoktori ösztöndíjra jelentkezett, ahol Otto Meyerhof mellett dolgozott a Berlin külvárosában található Kaiser-Wilhelm Intézetben. Bár a Tudományos Kutatási Tanács ösztöndíjat ajánlott neki e tanulmányok folytatásához, Ochoa visszautasította a támogatásuk felajánlását, mert megengedhette magának, hogy saját maga fizesse az útját. Úgy érezte, hogy a pénzt egy nála rászorultabb embernek kellene adni. Ochoa élvezte a Meyerhof alatt végzett munkát, és egy évig Németországban maradt.
1931. július 8-án feleségül vette Carmen García Cobiant, egy spanyol ügyvéd és üzletember lányát, és friss feleségével Angliába költözött, ahol a madridi egyetem ösztöndíjával a londoni Nemzeti Orvosi Kutatóintézetben tanulhatott. Angliában Ochoa találkozott Sir Henry Hallett Dale-lel, aki később 1936-ban orvosi Nobel-díjat kapott az idegimpulzusok kémiai átvitelének felfedezéséért. Az intézetben töltött első évében Ochoa a glikoxaláz enzimet tanulmányozta, a következő évben pedig közvetlenül Dale mellett kezdett dolgozni, azt vizsgálva, hogy a mellékvesék hogyan befolyásolják az izomösszehúzódás kémiáját. 1933-ban visszatért alma materébe, a madridi egyetemre, ahol a fiziológia és biokémia előadójává nevezték ki.
Két éven belül Ochoa új állást fogadott el. Az orvostudományi tanszék egyik vezetője egy Orvosi Kutatóintézet beindítását tervezte, biokémiai, fiziológiai, mikrobiológiai és kísérleti orvostudományi szekciókkal. Az intézetet részben a Madridi Egyetem támogatta volna, amely helyet ajánlott fel neki az orvosi kar egyik új épületében, részben pedig gazdag mecénások támogatták volna, akik jelentős költségvetést terveztek biztosítani a berendezésekre, a fizetésekre és az ellátmányra. Az új intézet igazgatója felajánlotta a fiatal Ochoának az élettani részleg vezetését, amit ő el is fogadott, és háromfős személyzetet biztosított számára. Néhány hónappal Ochoa munkakezdését követően azonban Spanyolországban kitört a polgárháború. Munkája folytatása érdekében Ochoa úgy döntött, hogy 1936 szeptemberében elhagyja az országot. Ő és felesége 1936 végén Németországba emigráltak, amely maga is aligha volt stabil ország.
Amikor Ochoa megérkezett, azt tapasztalta, hogy mentora, Meyerhof, aki zsidó volt, jelentős politikai és személyes nyomás alatt állt. A német tudós nem hagyta, hogy ez zavarja a munkáját, bár Ochoa meglepetésére azt tapasztalta, hogy a Meyerhof által végzett kutatások típusa drámaian megváltozott az azóta eltelt hat év alatt, hogy utoljára látta őt. Ahogyan azt a Annual Review of Biochemistry című folyóiratban megjelent visszatekintő írásában írta a laboratóriumról: “Amikor 1930-ban elhagytam, alapvetően fiziológiai laboratórium volt; mindenütt izomrángásokat lehetett látni. 1936-ban már biokémiai laboratórium volt. A glikolízis és az erjedés izom- vagy élesztőkivonatokban, illetve e folyamatok tisztított enzimek által katalizált részleges reakciói voltak a fő vizsgálati tárgyak.” Meyerhof kutatási hangsúlyainak megváltozása hatással volt Ochoa saját munkájára, noha kevesebb mint egy évig tanult a laboratóriumban, mielőtt Meyerhof Franciaországba menekült.
Mielőtt azonban Meyerhof távozott volna, gondoskodott arról, hogy pártfogoltja ne maradjon hoppon, és elintézte, hogy Ochoa hat hónapos ösztöndíjat kapjon az angliai Plymouthban, a Marine Biological Laboratoryban. Bár ez az ösztöndíj csak fél évig tartott, Ochoa élvezte az ott töltött időt, nem utolsósorban azért, mert felesége, Carmen vele együtt kezdett dolgozni a laboratóriumban. Együttműködésük később egy közös cikk publikálásához vezetett a Nature folyóiratban. Hat hónap elteltével azonban Ochoának tovább kellett mennie, és a laboratóriumban dolgozó barátai találtak neki egy kutatóasszisztensi állást az Oxfordi Egyetemen. Két évvel később, amikor Anglia belépett a háborúba, az oxfordi biokémiai tanszék minden erejét a háborús kutatásokra fordította, amelyekben Ochoa, mint külföldi, nem vehetett részt. Így 1940-ben Ochoáék ismét felvették a fonalat, ezúttal az Atlanti-óceánon át, hogy Carl Ferdinand Cori és Gerty T. Cori laboratóriumában dolgozzanak St. Louisban. A Washington Egyetem orvosi karához tartozó Cori-laboratórium az enzimekkel kapcsolatos élvonalbeli kutatásairól és a szénhidrátok köztes anyagcseréjével kapcsolatos munkájáról volt híres. E munka során azokat a biokémiai reakciókat tanulmányozták, amelyek során a szénhidrátok energiát termelnek a sejtek működéséhez. Ochoa egy évig dolgozott ott, mielőtt a New York-i Egyetem rábeszélte, hogy költözzön keletre, és vállaljon munkát a Bellevue Pszichiátriai Kórház orvosi tudományos munkatársaként, ahol először dolgozhattak alatta végzős és posztdoktori hallgatók.
1945-ben Ochoát az orvosi egyetem biokémia adjunktusává léptették elő. Két évvel később, amikor a farmakológia tanszék nyugdíjba vonult, Ochoának felajánlották, hogy legyen az utódja, és az új laboratóriumi hely ígéretével csábítva elfogadta a felkérést. Kilenc évig maradt elnök, majd 1949-ben szabadságot vett ki, hogy a Kaliforniai Egyetemen vendégprofesszorként dolgozzon. Adminisztratív munkája azonban nem tántorította el attól, hogy folytassa a biokémiai kutatásokat. Az 1950-es évek elején izolálta a fotoszintézishez szükséges egyik kémiai vegyületet, a trifoszfopiridin-nukleotidot (TPN). Ochoa folytatta érdeklődését a köztes anyagcsere iránt, továbbfejlesztve Hans Adolf Krebs munkásságát, aki felvetette egy olyan ciklus gondolatát, amelyen keresztül a táplálék adenozin-trifoszfáttá, azaz ATP-vé, a sejt energiáját biztosító molekulává metabolizálódik. A spanyol tudós felfedezte, hogy egy molekula glükózból oxigénnel elégetve 36 ATP-molekula keletkezik. Amikor 1954-ben a biokémiai tanszék vezetője lemondott, Ochoa elfogadta ezt a lehetőséget, és teljes munkaidőben visszatért a tanszékre, mint tanszékvezető és rendes professzor.
Amikor már jobban beágyazódott a biokémiai kutatásba, Ochoa egy új terület felé fordította figyelmét: a dezoxiribonukleinsav (DNS) kutatásának gyorsan növekvő területe felé. Pályafutása korábbi szakaszában az enzimek voltak a biokémikusok által tanulmányozandó új, menő molekulák; most, James Watson és Francis Crick 1953-as kritikus munkája után a nukleinsavak kápráztatták el a terület tudósait. Ochoa sem volt ez alól kivétel. Az enzimekkel kapcsolatos korábbi munkájára támaszkodva Ochoa azt kezdte vizsgálni, hogy mely enzimek játszanak szerepet a szervezetben a nukleinsavak létrehozásában. Bár a legtöbb enzim az anyagok lebontásában segít, Ochoa tudta, hogy olyan enzimet keres, amely segít a nukleotidok hosszú láncokká, azaz nukleinsavakká egyesítésében. Miután izolálta ezeket a molekulákat, reményei szerint képes lesz RNS-t és DNS-t szintetizálni a laboratóriumban. 1955-ben a szennyvízben talált egy bakteriális enzimet, amely, úgy tűnt, éppen ilyen szerepet játszik. Amikor ezt az enzimet nukleotidok oldatához adta, felfedezte, hogy az oldat viszkózus lett, mint a kocsonya, ami azt jelezte, hogy az edényben valóban RNS képződött. A következő évben Arthur Kornberg, aki 1946-ban Ochoával együtt tanult, ezeket a módszereket alkalmazta a DNS szintézisére.
1959-ben, öt évvel azután, hogy átvette a biokémiai tanszék vezetését, Ochoa Kornberggel közösen kapta meg az élettani vagy orvosi Nobel-díjat a nukleinsavak előállítását segítő enzimek felfedezésében végzett munkájukért. Bár Ochoa különösen örült, hogy régi kollégájával osztozott a díjon, ekkorra már nem volt idegen tőle a tudományos elismerés. Az amerikai és külföldi egyetemek, köztük Oxford számos tiszteletbeli fokozatának birtokosa, Ochoa 1951-ben megkapta a Carl Neuberg-érmet biokémiából, 1955-ben pedig a Charles Leopold Mayer-díjat. Ochoa 20 éven át, 1974 nyaráig, közvetlenül hetvenedik születésnapja előtt, a NYU biokémiai tanszékének elnöki tisztét töltötte be. Amikor nyugdíjba vonult erről a posztról, visszautasította a tanszék ajánlatát, hogy emeritus professzorrá nevezzék ki, és inkább rendes professzorként maradt a tanszéken. De még ez sem tudta Ochoát kellőképpen lefoglalni. 1974-ben csatlakozott a New Jersey-i Roche Molekuláris Biológiai Intézethez.
1985-ben visszatért szülőhazájába, Spanyolországba, a madridi Autonoma Egyetem biológiaprofesszoraként, hogy folytassa a biokémiai kutatások iránti egész életre szóló rajongását. Ochoa 75 éves korában írt egy visszatekintést életéről, amelynek a “Egy hobbi követése” címet adta. A mű bevezetőjében megmagyarázta címválasztását: egy, a negyvenes években két Nobel-díjas kémikus tiszteletére rendezett partin Ochoa a vendégkönyvben biokémiaként tüntette fel hobbiját, noha a New York-i Egyetem farmakológia professzora volt. Sir Henry Dale, a parti egyik kitüntetettje viccelődött: “most, hogy farmakológus, a biokémia a hobbija”. Ochoa ezt a történetet azzal a kijelentéssel zárta: “Életemben a biokémia volt az egyetlen és igazi hobbim.”
Severo Ochoa 1993. november 1-jén halt meg Madridban.