Upisao je University of Columbia te diplomirao hemiju 1939. godine Magistrirao je 1948. godine na istom fakultetu. Kasnije je prihvatio poziciju predavača na bostonskom fakultetu, gdje je 1955. godine unaprijeđen u profesora suradnika biohemije.
Asimovova literalna karijera počela je 1939., kada su njegove prve priče objavljene u naučno-fantastičnom magazinu. Priča koja mu je poslužila kao stepenica prema književnom uspjehu bila je „Night Fall” (1941.), koja opisuje život na planetu na kojem se noć pojavljuje jednom u 2049 godina.
Asimov je bio klaustrofil, odnosno čovjek koji je volio male prostore. U svojoj autobiografiji je istaknuo kako je htio posjedovati mali kiosk na stanici podzemne željeznice, kako bi se mogao zatvoriti u njega i čitajući slušati buku vozova. Bojao se letenja te je tu fobiju često prenosio na svoje likove. Nikada nije naučio voziti bicikl ili plivati. Bio je iznimno tačan i imao izoštren smisao za vrijeme, pa je i bez sata pogađao koliko je minuta proteklo. Učestvovao je i u stvaranju Zvjezdanih staza – s obzirom da su on i Gene Roddenberry bili bliski prijatelji, Asimov je uskakao u izradu serijala sa savjetima.
Njegova prva knjiga izašla je 1950. godine – „Pebble in the sky”. U periodu od 1951.-1953. godine izdao je najpoznatiju trilogiju novela: „Foundation”, „Foundation and empire” i „Second foundation”. Autor je knjige „I Robot” (1950.), koja je 2004. pretopljena u istoimeni film sa Willom Smithom u glavnoj ulozi.
Od 1965. godine njegovi osobni papiri se čuvaju u knjižnici Mugar Memorial, gdje zauzimaju 464 kutije i oko 71 metra prostora na policama. Napisao je ili uredio preko 500 knjiga te preko 90.000 pisama i razglednica.
Umro je 1992. godine u New Yorku zbog, što je kasnije otkrila njegova žena, AIDS-a kojeg je dobio prilikom ugradnje prijemosnice na srcu.