25 Şubat 1935 tarihinde Bari/İtalya'da doğdu.
TED Yenişehir Lisesi'ne 1953 yılında burslu öğrenci olarak girdi ve okulu birincilikle bitirdi. Okulun bursuyla kimya mühendisliği okumak üzere ABD'ye gitti. 1956'da ABD Kaliforniya Üniversitesi Berkeley Kimya Mühendisliği'ni birincilikle bitirdi.
1957'de Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nü 8 ayda birincilikle bitirerek yüksek kimya mühendisi oldu. 1960'ta Yale Üniversitesi'nde yardımcı doçent olarak çalışmaya başladı.
26 yaşında iken atom ve moleküllerin çok elektronlu kuramı ile doçent oldu. 28 yaşında "tam profesör" unvanını aldı. Yale Üniversitesi tarihinde bu unvanı kazanan en genç insandır.
1964'te Orta Doğu Teknik Üniversitesi'nde danışman profesör oldu. Yale Üniversitesi'nde ikinci bir kürsüye daha profesör olarak atandı. Dünyada yeni kurulmaya başlayan moleküler biyoloji dalının ilk profesörlerinden biri oldu. DNA sarmalının çözelti içinde o halde nasıl durduğuna açıklama getirmiştir. Dünyanın pek çok yerinde buluşları ve kuram/kuramları ile ilgili konferanslar verdi.
Oktay Sinanoğlu Nobel Fizik Ödülü için aday gösteren kurumun üyesidir. Bu alanda görev yapan ilk Türk profesörüdür.
28 yaşından beri devam ettiği Yale Üniversitesi'nde moleküler biyoloji ve kimya olmak üzere iki kürsüde profesör olarak görev yaptı. Yıldız Teknik Üniversitesi'nden emekli oldu.
19 Nisan 2015 tarihinde Miami Florida'da kaldırıldığı hastanede öldü.