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로렌츠는 다트머스대학교 및 하버드대학교에서 수학을 전공하여 학위를 받은 뒤 1942년 미육군항공군단에서 기상예보로 전공을 바꾸었다. 제2차 세계대전 이후 그는 매사추세츠공과대학(MIT)에서 기상학 연구를 시작하여 1943년 석사학위를, 1948년에 박사학위를 받았다. 그후 MIT 교수가 되었고, 후에 기상학과 학과장을 역임했다.

1960년대 초반 로렌츠는 날씨에서 초기 조건의 미세한 차이가 시간의 흐름에 따라 점점 커져 결국 엄청난 차이가 발생한다는 것을 발견했다. 그는 하나의 기상 모델을 만들었는데, 현재의 날씨를 보여주는 매우 근접한 임의의 두 출발점이 빠르게 여러 궤적들로 발산되고, 아주 빈번하게 전혀 다른 곡선 궤적으로 끝이 난다는 것을 보여주는 것이었다. 이 상이한 궤적들이 때로는 고요한 날씨를 만들기도 하고, 혹은 폭풍우 치는 궂은 날씨를 만들기도 한다.

그는 이 현상을 나비 효과(butterfly effect)로 설명했다. 이 이론은 장기적인 기상 예측이 불가능하다는 것을 증명하는 것으로, 즉 중국에서 발생한 나비의 날갯짓은 며칠 뒤 미국의 기상 변화를 예측할 수 없게 한다는 것이다.

세상을 뒤흔든 그의 연구는 1963년에 〈결정론적인 비주기적 운동 Deterministic Nonperiodic Flow〉이라는 제목의 논문으로 출판되었다. 로렌츠는 그 공로를 인정받아 1983년 스웨덴 왕립 과학 아카데미의 크라포르드상을 수상했고, 1991년에는 교토상을 수상했다.