Serge Haroche nació en Casablanca en 1944. Graduado por la Escuela Normal Superior (ENS) y doctorado por la Universidad de París VI en 1971, tras una estancia posdoctoral en el laboratorio de Arthur Schawlow (1972-73) en la Universidad de Stanford se convirtió en profesor titular de la Universidad París VI (1975), cargo que ocupó hasta 2001, cuando fue nombrado catedrático del Collège de France en la cátedra de física cuántica. Ha sido profesor a tiempo parcial en la Universidad de Yale (1984-1993), miembro del Institut Universitaire de France (1991-2000) y presidente del Departamento de Física de la ENS (1994-2000). En septiembre de 2012 fue nombrado Administrateur du Collège de France, equivalente a presidente de esta institución, cargo que ocupó hasta septiembre de 2015. Desde entonces, es profesor emérito del Collège de France.

La investigación de Haroche se ha desarrollado principalmente en el laboratorio Kastler Brossel de la ENS. Sus principales intereses se han centrado en la óptica cuántica y la ciencia de la información cuántica. Ha realizado importantes contribuciones a la Electrodinámica Cuántica de Cavidades (QED), el dominio de la óptica cuántica que estudia el comportamiento de los átomos que interactúan fuertemente en entornos controlados como cavidades de alta calidad (alta Q), una caja compuesta de espejos altamente reflectantes. Haroche ha utilizado un sencillo modelo experimental basado en un sistema átomo-fotón aislado del exterior por paredes metálicas para poner a prueba conceptos fundamentales de la física cuántica como la superposición de estados, el entrelazamiento, la complementariedad y la decoherencia. Algunos de estos experimentos se han realizado en el laboratorio de los «experimentos mentales» imaginados por los padres fundadores de la mecánica cuántica.

Entre los principales logros de Haroche en el campo de la QED en cavidades se encuentran la observación de la mejora de la emisión espontánea de un solo átomo en una cavidad (1983), el seguimiento directo de la decoherencia de superposiciones mesoscópicas de estados, los llamados estados del gato de Schrödinger (1996) y la medición cuántica sin destrucción de fotones (2007). Mediante la manipulación de átomos y fotones en cavidades de alto coeficiente Q, también ha demostrado pasos elementales de los procedimientos de información cuántica, como la generación de entrelazamiento átomo-átomo y átomo-fotón (1997) y el funcionamiento de puertas lógicas cuánticas en las que intervienen fotones y átomos como «bits cuánticos» (1999).

Haroche ha recibido numerosos premios y galardones, que culminaron con el Premio Nobel de Física de 2012, compartido con David Wineland por sus «métodos experimentales pioneros que permiten medir y manipular sistemas cuánticos individuales». Haroche es miembro de las Academias de Ciencias francesa y europea. También es Miembro Extranjero de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos, de la Academia Americana de las Artes y las Ciencias, y de las Academias de Ciencias de Brasil, Colombia, Rusia y Marruecos. Es Doctor Honoris Causa del Instituto Weizmann y de las Universidades de Montreal, Patras, Strathclyde y Bar Ilan.