Matthew Meselson nasceu em Denver, Colorado. Sempre quis ser químico e teve uma enorme oficina de laboratório montada na cave e garagem da sua família. Meselson estudou química na Universidade de Chicago e depois fez o seu trabalho de pós-graduação no Instituto de Tecnologia da Califórnia com Linus Pauling. O projecto de tese de Meselson consistia em utilizar a cristalografia de raios X para descobrir a estrutura de uma proteína específica.
Em 1954, Meselson foi para Woods Hole para ser assistente de ensino. Aqui, Meselson conheceu Franklin Stahl – um colega de pós-doutoramento que estava a fazer cursos para aprender algumas técnicas de biologia molecular.
Meselson e Stahl tiveram um Verão lucrativo durante o qual discutiram teoria e possíveis experiências. Estavam especialmente interessados em tentar conceber uma forma de provar ou refutar o modelo de replicação semi-conservadora de Watson e Crick. Meselson e Stahl encontraram-se tão em sintonia com as ideias um do outro que concordaram em trabalhar em conjunto na concepção da experiência certa. Stahl obteve uma posição pós-doutoramento na Caltech, e em 1957 os dois tinham a prova experimental para a replicação semi-conservadora do ADN. Fizeram-no inventando uma nova técnica chamada centrifugação por gradiente de densidade, que utiliza a força centrífuga para separar moléculas com base nas suas densidades. O seu trabalho “clássico” foi publicado em 1958 e a sua experiência foi chamada “uma das mais belas experiências em biologia”.
Em 1957, enquanto fazia as experiências com Stahl, Meselson reuniu dados suficientes para terminar o seu doutoramento com Pauling. Depois ficou na Caltech, primeiro como investigador e depois como professor assistente de química. Meselson trabalhou na recombinação de fago -” mostrando que a recombinação resulta da emenda de moléculas de ADN. Em 1960, François Jacob e Sydney Brenner vieram ao seu laboratório na Caltech, onde obtiveram os dados necessários para provar a existência do mRNA.
No Outono de 1960, Meselson aceitou o cargo de professor associado de biologia molecular na Universidade de Harvard, onde é actualmente o Professor Thomas Dudley Cabot das Ciências Naturais. Descobriu a base enzimática da protecção do ADN hospedeiro, onde a célula reconhece o seu próprio ADN ao adicionar-lhe grupos metilo. O ADN estrangeiro será atacado e destruído por enzimas de restrição, mas o ADN hospedeiro, metilado, permanece intacto. Meselson descobriu também o processo de reparação da incompatibilidade do ADN, que permite às células corrigir erros no ADN. Actualmente, o interesse de Meselson na investigação tem a ver com a evolução dos sexos, e ele está a utilizar o pequeno invertebrado Rotifera como um sistema modelo.
Desde 1963, Meselson tem estado preocupado com a utilização de armas químicas e biológicas na guerra. Actuou como consultor para várias agências governamentais, e participou em estudos científicos que estudaram os efeitos do uso acidental e indevido de armas biológicas. Meselson é o co-director do Programa Sussex sobre Armamento Químico Biológico (CBW) e Limitação de Armas de Harvard. Este é um programa que tenta estabelecer limites para a utilização de armas químicas e biológicas. Meselson é também o co-editor do The CBW Conventions Bulletin.