E' nato a Uppsala in Svezia. Nel 1954 ha iniziato al sua carriera scientifica al Karolinska Institute. L’anno successivo si trasferì negli Stati Uniti per lavorare alla Johns Hopkins University con Stephen Kuffler. Qui nel 1968 incontra David Hubel e con lui inizia una collaborazione destinata a durare due decenni. Nel 1959 si sposta alla Harvard University e successivamente alla Rockefeller University, della quale diverrà rettore nel 1991.
Nel 1981 Wiesel ricevette, insieme con Hubel, il Premio Nobel in Medicina per gli studi su come le informazioni visive raccolte dalla retina sono trasmesse ed elaborate nella corteccia visiva cerebrale. Nel 1988 Wiesel è stato eletto Presidente dell’ International Brain Research Organization e nominato Segretario Generale dell’Human Frontier Science Program nel 2000. E’ membro dell’American Philosophical Society, e della Royal Society.