Кэри Муллис родился 28 декабря 1944 года в городе Леноир в Северной Каролине, США.
Детство он провел на ферме в городе Колумбия в Южной Каролине, где мастерил и запускал самодельные ракеты, экспериментировал с химическими веществами.
В 1966 году окончил Технологический институт штата Джорджия, получив степень бакалавра. После этого до 1972 года он занимался изучением структуры и синтеза белка в Университете Калифорнии в Беркли, там же защитил диссертацию по биохимии и получил степень доктора.
Весь следующий год он преподавал в Беркли биохимию, а затем стал постдокторантом по детской кардиологии Университета Канзасской медицинской школы по проблеме, связанной с васкулярной физиологией легких.
В 1979 году поступил на работу в компанию «Сетус» в Эмервилле, штат Калифорния в качестве биохимика, специалиста в области ДНК. Занимался синтезом олигонуклеотидов и в результате изобрел метод полимеразной цепной реакции (ПЦР), основную концепцию которого развил к 1983 году.
Метод ПЦР относится к числу фундаментальных научных технологий ХХ века. Он позволяет всего за несколько часов перевести микрограммы генетического материала в приемлемые для последующих исследований количества вещества. Метод широко применяется в медицине, генетике, биотехнологии, судебной медицине и других науках.
В 1993 Муллис получил Нобелевскую премию «за вклад в развитие методов химии на основе ДНК – за изобретение метода полимеразной цепной реакции».
В 1998 году Муллис опубликовал автобиографию «Танцующий обнаженным на поле разума», в которой он выразил несогласие с научными наблюдениями об изменении климата и истощении озонового слоя, объясняя это заговором между экологами, правительствами и учеными. Также ученый отвергал связь между ВИЧ и СПИДом.
Последние годы жизни работал вице-президентом фирмы «Берстейн текнолджис» в Ирвине, штат Калифорния, специализируясь в области совершенствования электронной диагностики на основе технологии оптических дисков.