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효소의 불순물을 없애고 결정을 만들어 화학적 성질을 밝힘으로써 제임스 B. 섬너, 웬델 M. 스탠리와 함께 1946년 노벨 화학상을 받았다. 컬럼비아대학교에서 공부하여 1915년 화학박사 학위를 받았다. 제1차 세계대전 동안에는 미 육군 화학전 부대의 대위로 복무했다.

제1차 세계대전 동안 그는 공업용 아세톤과 에틸알코올을 생산하는 데 알맞은 발효과정을 연구했다. 이 일을 계기로 소화, 호흡, 일반적 생명과정에 필수적인 효소에 대해 연구하게 되었다. 당시에는 효소의 화학적 성질이 밝혀지지 않은 상태였지만, 그는 연구를 통해 효소들이 화학반응의 법칙에 따른다는 것을 입증할 수 있었다. 1930년 위액에 들어 있는 소화효소인 펩신의 결정을 만들고, 그것이 단백질이라는 것을 알아내어 효소가 무엇인가에 대해 벌여왔던 논쟁을 해결했다. 1938년 같은 방법으로 세균성 바이러스(박테리오파지)를 처음으로 분리했으며, 이것이 핵단백질임을 밝혀냈다. 또한 펩신의 비활성 선구물질인 펩시노겐과 췌장 소화효소인 트립신·키모트립신과 그들의 비활성 선구물질인 트립시노겐과 키모트립시노겐을 분리하고, 결정형으로 만드는 연구에도 이바지했다. 펩시노겐은 위의 염산과 작용하여 활성효소로 바뀐다.

노스롭은 1916년부터 뉴욕 시의 록펠러 의학연구소에서 처음에는 보조연구원으로, 그리고 곧 연구원이 되어 일했으며, 1961년 은퇴하여 명예교수가 되었다. 또한 1949~58년 캘리포니아대학교(버클리)에서 세균학과 생물물리학 객원교수를 지냈고, 1958~59년에는 이 대학에 있는 도너 실험실(Donner Lab)의 상임 생물물리학자를 지냈다. 1934년 미국 국립과학 아카데미 회원으로 뽑혔다. 그가 쓴 〈결정성 효소 Crystalline Enzymes〉(1939)는 생화학 분야에서 중요한 책으로 꼽힌다.