En 1974, Deisenhofer obtint son doctorat de l’université technique de Munich pour des recherches effectuées à l’institut Max Planck de biochimie de Martinsried. Il continua à travailler à l’institut Max Planck jusqu’en 1988, année à laquelle il rejoint l’équipe scientifique de l'Institut médical Howard Hughes, à Dallas et est nommé professeur au Southwestern Medical Center de l’université du Texas.
Avec Michel et Huber, Deisenhofer détermina la structure tridimensionnelle de complexes protéiniques contenus dans certaines bactéries photosynthétiques. Ces complexes protéiniques membranaires, centres réactionnels photosynthétiques, étaient connus pour jouer un rôle crucial dans l’initiation d’un type simple de photosynthèse. Entre 1982 et 1985, ces trois scientifiques ont utilisé la radiocristallographie pour déterminer la position exacte de plus de 10 000 atomes constituant le complexe de protéines. Leur travail est un apport important dans la compréhension générale des mécanismes de photosynthèse et révèle des similitudes entre les procédés photosynthétiques des plantes et des bactéries.
