Karl Deisseroth studerade biokemi vid Harvard University. Efter kandidatexamen (1992) flyttade han till Stanford University, där han avlade doktorsexamen i neurovetenskap 1998, läkarexamen 2000 och blev färdig specialistläkare i psykiatri 2004. 2012 utnämndes han till professor i bioteknik och psykiatri vid Stanford University.