Karl Deisseroth zählt zu den Begründern der Optogenetik, einer Kombination von Genetik und optischer Technologie. Dabei werden lichtempfindliche Proteine in Nervenzellen eingebracht. Durch Einstrahlung von Licht lassen sich die Nervenzellen im Gehirn dann von außen steuern. Diese Technologie bietet neue Möglichkeiten, neurologische Krankheiten und Störungen wie Depression, Parkinson oder Suchtverhalten zu untersuchen und besser zu verstehen. Karl Deisseroth entwickelte auch die sogenannte CLARITY-Methode, in der Hirngewebe in ein Hydrogel eingelegt wird. Dadurch entsteht eine transparente Struktur, die Nervenverbindungen und zelluläre Details anatomisch exakt widergibt.

Deisseroth studierte Biochemie an der Harvard University (USA). Promoviert wurde er 1998 an der Stanford University in Neurowissenschaften sowie 2000 in Humanmedizin. In Stanford arbeitet er seit 2005 als Hochschullehrer für Bioeningeering und Psychiatrie. Seit 2013 ist er zudem Professor am Karolinska Institutet in Stockholm und seit 2014 Forscher am Howard Hughes Medical Institute, Maryland (USA). Karl Deisseroth hat für seine Forschungsleistungen mit dem Brain Prize und dem Lurie Prize in Biomedical Sciences bereits mehrere hochdotierte  Auszeichnungen erhalten. Seit 2014 ist er Mitglied der Leopoldina.