Severo Ochoa de Albornoz naceu na localidade asturiana de Luarca. Fillo de Severo Ochoa e Carmen de Albornoz, Severo era o menor de sete irmáns. O seu pai morreu cando o seu fillo menor tiña sete anos e, a partir de entón, pasaron os invernos na zona de Málaga, atraídos polo suave clima.
Cursou os seus estudos secundarios no Instituto de Bacharelato de Málaga e o seu profesor de química interesoulle polas ciencias da vida. Cando terminou o bacharelato en 1921, Ochoa tiña claro que quería estudar bioloxía experimental. Naquela época, con todo, a mellor maneira de aprender bioloxía era aprender medicamento. Por iso, e porque admiraba moito ao médico e profesor navarro Santiago Ramón e Cajal, elixiu a Universidade de Madrid paira cursar a carreira médica.
Con todo, Ochoa non quería ser médico. O seu desexo era, por encima de todo, chegar algún día a ser un gran científico. Con todo, España non parecía o lugar idóneo paira iso, xa que os seus habitantes tiñan esquecido o ámbito científico. Á marxe de Ramón e Cajal e os seus estudantes, na Facultade de Medicina de Madrid só había dous científicos que se dedicaban á investigación máis punteira: Juan Negrín, catedrático de fisiología e Teofilo Hernando, catedrático de farmacoloxía.
Con todo, Ochoa non tivo a oportunidade de coñecer a Ramón e Cajal que tanto admiraba, pero a natureza do mestre e o seu traballo foron una referencia importante nos próximos anos. En 1982, no epílogo escrito paira una biografía de Ramón e Cajal, escribiu as seguintes palabras: “Tes nas túas mans una biografía do maior científico da historia de España e dun dos máis grandes da humanidade; na miña opinión, como Galileo, Newton, Darwin, Pasteur ou Einstein”.
En terceiro de carreira, Negrín ofreceulle a posibilidade de ser responsable das clases prácticas do Departamento de Fisiología. Aí é onde empezou Ochoa a investigación que non ía ter continuidade. No verán de 1927, sen terminar a carreira, trasladouse á Universidade de Glasgow paira traballar xunto ao Dr. Nöel Paton. Guanidina investigou a influencia dos melanóforos superficiais das ras e cos resultados obtidos logrou publicar o seu primeiro traballo nunha prestixiosa revista científica ( Proceedings of the Royal Society ). Terminada a estancia en Glasgow, regresa ao laboratorio de Negrín e, José G. Co seu amigo Valdecasas preparou un micrometodo paira determinar a creatina muscular. Cos resultados obtidos con este invento, publicou en 1929 a súa segunda obra científica.
Ese ano terminou a carreira de medicamento. Con todo, nos anos seguintes traballou con grandes científicos e seguiu completando os seus estudos. Una vez terminada a carreira trasladouse a Alemaña paira traballar no laboratorio de Otto Meyerhof (Premio Nobel de Medicamento en 1923). Alí estudou bioquímica e fisiología muscular.
En 1931 contraeu matrimonio coa gijona Carmen García Cobian. Ese mesmo ano foi nomeado profesor de fisiología da Universidade de Madrid e traballou nese labor até 1935. Con todo, cando podían desprazábase ao estranxeiro paira traballar noutros laboratorios. Así, en 1932 trasladouse a Londres paira realizar una investigación encimática xunto a Harold Dudley e Henry Dálle, premio Nobel de Medicamento en 1936.
Regresa a Madrid en 1934. En primeiro lugar foi nomeado profesor de Fisiología e Bioquímica e posteriormente foi nomeado director do Departamento de Fisiología do Instituto de Investigación Médica. En 1936 foi nomeado Axudante de Investigación Convidado do Laboratorio Meyerhof de Heidelber. O seu traballo consistiu en estudar algúns pasos encimáticos da glicólisis e a fermentación. De 1938 a 1941 estuda a función biolóxica da vitamina B1 na Universidade de Oxford, R. A. Xunto co catedrático Peters.
Cando estalou a Segunda Guerra Mundial, Severo Ochoa estaba a traballar en Oxford. Paira poder seguir investigando decidiu irse a Estados Unidos. Estas liñas proceden da autobiografía de Ochoa: “Un día de agosto de 1940, Carmen e eu partimos cara ao Novo Mundo, triste pero cheo de esperanza e esperanza”. De 1941 a 1942 traballou na Escola Universitaria de Medicamento de Washington, xunto ao matrimonio Carl e Gery Cori (Premio Nobel de Medicamento en 1947), na investigación enzimológica.
Tras moitos anos estudando, en 1942 aceptou un posto do Departamento de Medicamento da Universidade de Nova York e comezou a investigar pola súa conta. Até a súa xubilación en 1974, a súa carreira científica desenvolveuse nesta universidade e ocupou diversos cargos. En 1956 obtivo a nacionalidade estadounidense.
Xubilouse en 1974, pero non deixou de traballar. Aceptou a invitación dos laboratorios Hoffmann A Roche de Nova Jersey e acudiu ao Instituto Roche de Bioloxía Molecular. Ademais, a partir de 1976 faise cargo dun equipo de investigación do Centro Severo Ochoa de Bioloxía Molecular de Madrid (CBMSO). En 1986 regresa a España onde traballa. Faleceu o 1 de novembro de 1993, festividade de Todos os Santos, en Madrid.