Кэри Муллис родился в городке Леноир в Северной Каролине 28 декабря 1944 года в семье фермера и провёл детство в городе Колумбия (Южная Каролина). Именно жизнь в сельской местности пробудила его ранний интерес к биологии. Муллис окончил Технологический институт Джорджии в 1966 году и защитил диссертацию по биохимии в Университете Калифорнии в Беркли в 1972 году, где он изучал структуру и синтез белка.
После диссертации Муллис временно ушёл из науки. Он писал фантастику, но вскоре вернулся в биохимию и провёл 2 года в школе медицины Канзасского университета, а затем перешёл в биотехнологическую корпорацию Cetus. Работая в компании, Муллис разработал метод полимеразной цепной реакции, который революционизировал молекулярную биологию и медицину. В 1993 году он получил за это Нобелевскую премию по химии.