劳伦斯出生于美国南达科他州坎顿，父亲是一所师范学院的院长。他1922年在圣奥拉夫学院获得学士学位，同年转入明尼苏达大学，1923年获硕士学位，随后到芝加哥大学跟随著名物理学家阿瑟·康普顿做研究，1925年在耶鲁大学获得物理学博士学位。在耶鲁做了两年讲师后，1928年年仅27岁的劳伦斯被加州大学伯克利分校聘为物理学副教授，两年后晋升正教授，成为该校历史上最年轻的正教授之一。

1929年的一个晚上，劳伦斯在图书馆翻阅一篇德国工程师的论文时获得灵感：与其用高压电场直线加速粒子，不如让粒子在磁场中做圆周运动，反复通过电场加速区域，这样用较低的电压就能将粒子加速到很高能量。1930年春天，他指导研究生尼尔·埃德尔夫森建造了第一台回旋加速器——这台装置直径只有4英寸，用黄铜和玻璃制成，可以将氢离子加速到8万电子伏特。这一发明彻底改变了核物理学研究的面貌，科学家不再依赖天然放射性源，首次获得了能量可控的高能粒子束。

20世纪30年代，劳伦斯领导伯克利辐射实验室建造了一系列越来越大的回旋加速器：1931年11英寸、1932年27英寸、1939年60英寸。利用这些装置，劳伦斯的研究团队取得了丰硕成果：1932年他的学生利文斯顿用回旋加速器验证了爱因斯坦质能方程；1934年他们发现了人工放射性；利用加速的氘核轰击靶标，他们生产出了多种放射性同位素，包括用于医学治疗的磷-32和碘-131。1939年，劳伦斯因发明回旋加速器以及由此获得的成果，特别是关于人工放射性元素的研究，获得诺贝尔物理学奖。

劳伦斯是"大科学"模式的开创者，他将工业界的工程管理方法引入基础研究，组织跨学科的工程师、物理学家团队协作建造大型科学装置，这在当时以个人小规模研究为主的科学界是革命性的创举。二战期间，他参与曼哈顿计划，负责电磁分离铀-235的研究，为原子弹研制做出重要贡献。战后他积极推动和平利用原子能，倡导建立大型国家实验室。1958年劳伦斯因溃疡性结肠炎手术并发症在瑞士日内瓦去世，享年57岁。为纪念他，伯克利的辐射实验室被命名为劳伦斯伯克利国家实验室，利弗莫尔实验室也以他的名字命名，化学元素103号被命名为铹(Lawrencium)。