Родился 11 марта 1926 года в городе Ле Марс, Айова, США, в семье редактора газеты и писателя-фантаста Романа Фредерика Старзла. В детстве мечтал стать священником, но после смерти матери от рака молочной железы решает стать врачом. Поступает в Вестминстерский колледж, Миссури, в котором получает степень бакалавра по биологии. Далее заканчивает Northwestern University Medical School в Чикаго, где в 1950 получает степень Master of Science по анатомии, а в 1952 степени Ph.D. по нейрофизиологии и M.D.
Занимался вопросами экспериментальной и клинической трансплантологии в Университете Колорадо, а с 1962 по 1981 год в Университете Питтсбурга. Является автором или соавтором более чем 2,130 научных работ, 4 книг, 292 глав в сборных работах, что сделало его одним из наиболее продуктивных учёных в мире. Является одним из наиболее цитируемых учёных в области клинической медицины в мире.
Женился в интернатуре на Барбаре Джун Бразерс, родившей ему троих детей - Тимоти, Ребекку и Томаса. Через 22 года семейной жизни в 1980 г она уходит к богатому бизнесмену. Через год Старзл женится на своей коллеге Джой Конгер. В последние годы живёт один, со своими шестью собаками, любовь к которым сделалась одной из его визитных карточек. Многие годы экспериментальной и клинической работы подорвали его здоровье — Старзл болен хроническим гепатитом В, катарактой (после экспериментов с лазерным излучением), имеет проблемы с позвоночником, в 1990 году подвергся операции аорто-коронарного шунтирования.