Benzer se narodil v Bensonhurstu v Brooklynu Meyeru B. a Evě Naidorfové (původem z Polska). Měl dvě starší sestry a rodiče ho měli v oblibě jako jediného chlapce. Jedním z prvních Benzerových vědeckých zážitků bylo pitvání žab, které chytil jako chlapec. V rozhovoru na Caltechu si Benzer také vzpomněl, že ke svým třináctým narozeninám dostal mikroskop, „a to otevřelo celý svět.“ Kniha „Arrowsmith“ od Sinclaira Lewise mladého Benzera silně ovlivnila, a dokonce napodobil rukopis Maxe Gottlieba, vědecké postavy z románu. Benzer absolvoval střední školu v patnácti letech.
V roce 1938 se zapsal na Brooklyn College, kde vystudoval fyziku. Benzer se pak přesunul na Purdueovu univerzitu, kde získal titul Ph.D. z fyziky pevných látek. Zatímco tam byl rekrutován pro tajný vojenský projekt vývoje vylepšených radarů. Prováděl výzkum, který vedl k vývoji stabilních germaniových usměrňovačů a objevil germaniový krystal použitelný při vysokém napětí, mezi vědeckými pracemi, které vedly k prvnímu tranzistoru.
Na Brooklyn College se Benzer jako šestnáctiletý prvák seznámil s Dorothy Vlosky (přezdívanou Dotty), jednadvacetiletou zdravotní sestrou. Později se s ní oženil v New Yorku v roce 1942. Měli dvě dcery, Barbie (Barbara) a Marthu Jane.
Benzer zemřel na mrtvici v Huntingtonově nemocnici v Pasadeně v Kalifornii.
Po získání titulu Ph.D. v roce 1947 byl okamžitě najat jako odborný asistent fyziky na Purdue. Benzer se však inspiroval knihou Erwina Schrödingera Co je život?, ve které fyzik uvažoval o fyzikální povaze genu a „kódu“ života. To katalyzovalo Benzerův posun v zájmu o biologii a on se přesunul do oblasti genetiky bakteriofágů, kde strávil dva roky jako postdoktorand v laboratoři Maxe Delbrucka na Kalifornském technologickém institutu a pak se vrátil do Purdue. Na Purdue University Benzer vyvinul T4 rII systém, novou genetickou techniku zahrnující rekombinaci v T4 bakteriofágových rII mutantech. Po pozorování, že konkrétní rII mutant, mutace, která způsobila, že bakteriofág eliminoval bakterie rychleji než obvykle, nevykazuje očekávaný fenotyp, napadlo Benzera, že tento kmen mohl pocházet z křížení dvou různých rII mutantů (každý z nich měl část rII genu neporušenou), kde rekombinační událost vyústila v normální rII sekvenci. Benzer si uvědomil, že generováním mnoha r mutantů a zaznamenáním frekvence rekombinace mezi různými r kmeny lze vytvořit podrobnou mapu genu, podobně jako to udělal Alfred Sturtevant u chromozomů. Využil obrovského množství rekombinantů, které bylo možné analyzovat v rII mutantním systému, a nakonec byl Benzer schopen zmapovat přes 2400 rII mutací. Data, která shromáždil, poskytla první důkaz, že gen není nedělitelnou entitou, jak se dříve věřilo, a že geny jsou lineární. Benzer také dokázal, že mutace byly distribuovány v mnoha různých částech jednoho genu a rozlišovací schopnost jeho systému mu umožnila rozeznat mutanty, které se liší na úrovni jediného nukleotidu. Na základě svých rII dat Benzer také navrhl odlišné třídy mutací včetně delecí, bodových mutací, missense mutací a nonsense mutací.
Benzerova práce ovlivnila mnoho dalších slavných vědců jeho doby. Ve svém období molekulární biologie Benzer pitval jemnou strukturu jediného genu, položil základy pro desítky let trvající analýzu mutací a genetického inženýrství a vytvořil paradigma využívající fág rII, který později používali Francis Crick a Sidney Brenner ke stanovení trojnásobného kódu DNA. Kromě toho se Benzerovy mapovací techniky ujal Richard Feynman.
V roce 1967 Benzer opustil obor fágová genetika a vrátil se na Kalifornský technologický institut, kde pracoval v behaviorální genetice.
Benzer byl jedním z prvních vědců, kteří se prosadili na poli behaviorální genetiky. Když se v 60. a 70. letech začal tento obor objevovat, ocitl se Benzer ve vědecké opozici vůči dalšímu z předních výzkumníků tohoto oboru, Jerrymu Hirschovi. Zatímco Hirsch věřil, že chování je složitý jev neredukovatelný na úroveň jednotlivých genů, Benzer zastával názor, že chování zvířat není příliš složité na to, aby bylo řízeno jediným genem. To se projevilo metodologickými rozdíly v experimentech obou výzkumníků s Drosophilou, které hluboce ovlivnily oblast behaviorální genetiky. Hirsch uměle vybíral pro chování, které bylo zajímavé po mnoho generací, zatímco Benzer primárně používal předsunuté genetické mutagenní testy k izolaci mutantů pro konkrétní chování. Benzerovy a Hirschovy soupeřící filozofie sloužily k zajištění potřebného vědeckého napětí s cílem urychlit a posílit vývoj v behaviorální genetice a pomoci jí získat uplatnění jako legitimní oblast studia ve vědecké komunitě.
Benzer a student Ron Konopka objevili první mutanty cirkadiánního rytmu. Byly identifikovány tři odlišné typy mutantů – arytmické, zkrácené periody a prodloužené periody. Všechny tyto mutace zahrnovaly stejný funkční gen na chromozomu X a ovlivňovaly eklosační rytmus populace i rytmy pohybové aktivity jednotlivých much. Pro sledování pohybové aktivity Drosophily Benzer a postdoktorský výzkumník Yoshiki Hotta navrhli systém využívající infračervené světlo a solární články. Všechny tři mutace byly zmapovány na chromozom X, nula centimorganů od sebe, což naznačuje, že mutované fenotypy odpovídaly alelám stejného genu, který Konopka pojmenoval perioda. Jednalo se o první z několika seminálních studií jednotlivých genů ovlivňujících chování, studií, které byly replikovány v jiných zvířecích modelech a jsou nyní základem rostoucího oboru molekulární biologie chování. V roce 1992 Benzer ve spolupráci s Michaelem Rosbashem tuto práci dále rozvíjel tím, že ukázal, že protein PER, pro který je dobové kódy, se nachází převážně v jádře. Práce s mutanty Period byla katalytická ve studiu cirkadiánních rytmů a sloužila k pohánění pole vpřed.
Benzer stál v čele studia neurodegenerace u ovocných mušek, modeloval lidské nemoci a pokoušel se je potlačit. Přispíval také do oblasti biologie stárnutí, hledal mutanty se změněnou dlouhověkostí a snažil se rozpitvat mechanismy, kterými může organismus uniknout nevyhnutelnému funkčnímu pádu a s ním spojeným nemocem. V roce 1998 Benzer a jeho kolegové Yi-Jyun Lin a Laurent Seroude publikovali nálezy dlouhověkého mutanta v Drosophile, tehdy pojmenovaného Metuzalém. Mutantní gen kódovaný pro dosud neznámého člena rodiny GPCR. Testováním proti teplotnímu stresu se má za to, že tito mutanti mají zvýšenou schopnost reagovat na stres, a tedy žít déle. Jeden z Benzerových posledních výzkumných projektů se týkal výzkumu dietních omezení a dlouhověkosti. Byla publikována práce v “Cell“, o efektu dlouhověkosti 4E-BP, translačního represoru, po dietních omezeních. Ačkoli výzkum byl proveden před jeho smrtí, práce byla publikována později a věnována jeho památce.
V roce 1978 byla Dotty v nemocnici s rakovinou prsu a Seymourovu příteli, kolegovi a mentorovi Maxi Delbrückovi byla diagnostikována rakovina. V důsledku toho se Seymour Benzer začal zajímat o biologii rakoviny a zúčastnil se několika konferencí o rakovině prsu.
Benzer se později znovu oženil s Carol Millerovou, neuropatoložkou. Společně na začátku 80. let používali techniky barvení protilátek k nalezení téměř identických genů mezi mouchami a lidmi.
Byl členem Francouzské akademie věd, americké Národní akademie věd, Americké filozofické společnosti a Královské společnosti.
Benzer je námětem knihy Time, Love, Memory: A Great Biologist and His Quest for the Origins of Behavior laureáta Pulitzerovy ceny Jonathana Weinera z roku 1999 a knihy Reconceiving the Gene: Seymour Benzer’s Adventures in Phage Genetics od Lawrence Holmese.