Пёрселл получил степень бакалавра по электрическому инженерному делу в университете Пердью. Степени магистра и доктора по физике он получил в Гарвардском университете. Во время Второй мировой войны работал в МТИ в лаборатории излучений над развитием СВЧ радара. После войны Пёрселл возвращается в Гарвард. В 1945 г. он, вместе со своими коллегами Паундом и Торри, открывает явление ядерного магнитного резонанса. ЯМР дал учёным элегантный и точный метод определения химической структуры и свойств материалов и широко используется в настоящее время в физике и химии. Он также является основой метода ЯМР-изображений — одного из наиболее важных достижений в медицине XX-го века. За открытие ЯМР Пёрселл и Блох были удостоены Нобелевской премии.
Пёрселл также внёс вклад в астрономию — он впервые зарегистрировал радиоизлучение нейтрального водорода в космосе (излучение с длиной волны 21-см), при помощи которого удалось впервые взглянуть на спиральные рукава Млечного пути. Этот метод до сих пор является одним из самых важных в радиоастрономии. Кроме того он внёс значительный вклад в физику твёрдого тела — изучением релаксации спинового эха, релаксации ядерного магнитного момента, отрицательной спиновой температуры. Совместно с Норманом Рамзеем он был первым, кто поставил под сомнение правильность CP-симметрии в физике элементарных частиц.
Пёрселл получил много наград за свою научную, образовательную и гражданскую работу. Он был научным советником президентов Дуайта Эйзенхауэра, Джона Кеннеди и Линдона Джонсона. Пёрселл был президентом Американского физического общества, членом Американского философского общества, членом академии наук США, членом Американской академии наук и искусств. В 1979 г. Пёрселл был награждён национальной медалью науки (США).
С развитием квантовой оптики и нанотехнологий имя Пёрселла часто упоминается с таким понятием как Пёрселл-фактор, который характеризует связь излучателя с определенной модой пространства.
