Doctor en Ciencias Biológicas por la Universidad Complutense de Madrid, de la que es catedrático de Paleontología en la Facultad de Ciencias Geológicas. Dirige el Centro Mixto UCM-Instituto de Salud Carlos III de Evolución y Comportamiento Humanos. La mayor parte de su carrera científica se ha desarrollado en los yacimientos de la Sierra de Atapuerca, que co-dirige. Este proyecto obtuvo el Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica en 1997. También co-dirige las excavaciones de los yacimientos de neandertales de Pinilla del Valle (Madrid). Director Científico del Museo de la Evolución Humana de Burgos. Fue profesor visitante del University College of London y en los últimos años es profesor visitante de Sapienza-Università di Roma.
Premio Castilla y León. Premio de la Comunidad de Madrid. Premio Sent Soví de literatura gastronómica. Premio de la Sociedad Geográfica Española. Premio Ciudad de Alcalá. Premio Antonio de Sancha de la Asociación de Editores de Madrid. Premio COSCE a la Difusión de la Ciencia. Premio de Periodismo Científico Concha García Campoy de la Academia de TV 2021. Miembro de Honor Distinguido del Instituto de Cultura, Ciencia y Tecnología. Cruz del Mérito Medioambiental de España. Medalla de Plata de la Comunidad de Madrid (2010). GHR von Koenigswald Lecture Frankfurt 18 November 2015. Lección Conmemorativa Jiménez Díaz 2021.
Miembro de la National Academy of Sciences de los Estados Unidos, de la Real Academia de Doctores de España y de las Reales Academias de Medicina de Zaragoza y de Andalucía Oriental. Miembro de Honor de la Sociedad Española de Medicina Psicosomática. Vicepresidente vitalicio de la Fundación Atapuerca. Presidente de la Fundación Gadea Ciencia. Amigo de Honor de la Real Sociedad Bascongada de Amigos del País. Doctor Honoris Causa por las universidades de Burgos, Politécnica de Valencia y Zaragoza. Editor de la revista Munibe de Antropologia-Arkeologia (Aranzadi Zientzia Elkartea).
Autor de un gran número de publicaciones científicas, entre las que destacan ocho artículos en Science y diez en Nature. Veinte tesis doctorales dirigidas.
Autor, en solitario o en colaboración, de numerosos libros de divulgación científica traducidos a muchos idiomas, como “La especie elegida”, “El collar del neandertal”, “Los aborígenes”, “Al otro lado de la niebla”, “Amalur. Del átomo a la mente”, “El reloj de mr. Darwin”, “El primer viaje de nuestra vida”, “Breve historia de la Tierra con nosotros dentro”, “El sello indeleble”, “Vida. La gran historia”, “La vida contada por un sapiens a un neandertal” en 2020 y “La muerte contada por un sapiens a un neandertal” en 2022. Las dos últimas obras han sido número uno en las listas de libros más vendidos de España en la categoría de no ficción durante muchas semanas.