Lawrence s-a născut în Canton, Dakota de Sud, și a studiat la Universitatea din Dakota de Sud și la Universitatea din Minnesota. În 1925 și-a obținut doctoratul în fizică la Universitatea Yale. Trei ani mai târziu, a ajuns profesor asociat la Universitatea California, Berkeley, iar în 1930 a devenit profesor titular, fiind la acea vreme cel mai tânăr profesor titular din istoria universității.
Una dintre cele mai importante realizări ale lui Lawrence a început în 1929. În timp ce studia o schemă a unui accelerator de particule, s-a întrebat dacă un astfel de dispozitiv ar putea fi construit într-o formă mai mică și mai eficientă.
Ideea lui a fost să folosească un câmp magnetic pentru a accelera particulele într-o cameră circulară, făcându-le să se deplaseze pe o traiectorie spiralată. Așa a apărut ciclotronul, aparat care a devenit esențial pentru cercetarea particulelor și a nucleului atomic.
Lawrence nu s-a oprit la primul model. El și echipa sa au construit ciclotroane din ce în ce mai mari și mai puternice. În 1936, laboratorul său de radiații a devenit oficial un departament al Universității California, iar Lawrence a fost numit director.
Ciclotronul nu a fost folosit doar pentru experimente de fizică. Lawrence a încurajat și cercetarea medicală, în special utilizarea radioizotopilor pentru diagnostic și tratament.
În timpul celui de-al Doilea Război Mondial, Lawrence s-a implicat în cercetările legate de separarea izotopilor de uraniu, în cadrul Proiectului Manhattan.
Echipa sa a dezvoltat o metodă de separare electromagnetică folosind aparate numite calutroni. Acestea combinau principiile unui spectrometru de masă cu cele ale ciclotronului. La Oak Ridge, Tennessee, a fost construit un complex industrial uriaș, cunoscut sub numele de Y-12, pentru aplicarea acestei metode.
Procesul era costisitor și nu foarte eficient, însă a funcționat și a reprezentat una dintre tehnologiile folosite în cadrul programului american de dezvoltare a armelor nucleare.
După 1945, Lawrence a devenit un susținător important al finanțării guvernamentale pentru proiecte științifice de mari dimensiuni. El considera că progresul științific necesita laboratoare moderne, echipamente foarte complexe și investiții importante.
A sprijinit și ideea lui Edward Teller de a crea un al doilea laborator american dedicat cercetării armelor nucleare. Acest laborator a fost înființat la Livermore, California.
După moartea sa, Universitatea California a decis să-i păstreze numele în memoria instituțiilor pe care le-a influențat. Astfel, Lawrence Berkeley National Laboratory și Lawrence Livermore National Laboratory îi poartă numele.
Ernest Lawrence a murit la 27 august 1958, în California, la vârsta de 57 de ani.
Contribuția sa la fizică a fost recunoscută prin numeroase premii și distincții, printre care Premiul Nobel pentru Fizică (1939), Medalia Hughes, Medalia Elliott Cresson, Premiul Enrico Fermi și Holley Medal.
În 1961, oamenii de știință de la Berkeley au descoperit elementul chimic cu numărul atomic 103, care a fost numit lawrenciu (Lr) în onoarea lui.
Ernest Lawrence a rămas una dintre figurile importante ale fizicii americane din secolul XX. Prin inventarea ciclotronului și prin dezvoltarea unor metode noi de cercetare nucleară, el a contribuit la transformarea fizicii experimentale într-un domeniu capabil să studieze materia la energii din ce în ce mai mari.