Apja szobafestő-mázoló kisiparos volt. Középiskolai tanulmányait a budapesti cisztercita gimnáziumban és a II. Rákóczi Ferenc Gimnáziumban végezte. Orvosi diplomájának megszerzése után, 1959-től az Országos Közegészségügyi Intézetben a Humángenetikai és Teratológiai Osztályon a fejlődési rendellenességek okait kutatta, emellett 1973-ig a János Kórház szülészeti osztályának családtervezési tanácsadója volt. 1973-ban lett a humángenetikai és teratológiai laboratórium (1984-től osztály) főorvosa és a WHO együttműködési központ igazgatója. 1996 és 1998 között a Nemzeti Egészségvédelmi Intézet főigazgatójaként dolgozott, innen ment nyugdíjba, s ezt követően a Genetikai Ártalmak Társadalmi Megelőzése Alapítvány tudományos igazgatója lett.

Kutatási területe az epidemiológia, az öröklődés, a genetikai ártalmak és a veleszületett rendellenességek kutatása és megelőzése. Elsőként igazolta a magzatvédő vitamin szerepét a fejlődési rendellenességek megelőzésében, elsőként írta le számos veleszületett rendellenesség előfordulási sajátosságait. 1970-ben lett a vezetője a Veleszületett Rendellenességek Országos Nyilvántartásának, 1973-ban létrehozta a Veleszületett Rendellenességek Kóroki Monitorját, melynek segítségével jól kutathatóvá váltak a rendellenességek okai.

Czeizel Endre 1973 óta végzett genetikai tanácsadást, kidolgozta az úgynevezett magyar módszert, az 1980-as években pedig az optimális családtervezési modellt, majd szolgáltatást. Ennek keretében elsőként a családtervezési alkalmasságot tisztázzák, a második lépés a fogamzásra történő három hónapos felkészülés, a harmadik lépésben a fogamzás optimális körülmények közötti elérése után a korai terhesség fokozott védelmét segítik elő. Magyarországon több mint 75 ezer "Czeizel-bébi" született.

Munkássága elismeréseként számos nemzetközi társaság fogadta tagjává, feladatot vállalt az MTA Orvosi Genetikai Bizottságának munkájában is. Elnöke volt a Magyar Tehetséggondozó Társaságnak, szakértője az ENSZ Egészségügyi Világszervezetének (WHO), részt vett több európai uniós kutatási témában, tagja volt vezető nemzetközi folyóiratok szerkesztőbizottságának. Elnöke volt az International Clearinghouse for Birth Defect Monitoring System és a European Environment Mutagenic Society szervezeteknek, alelnöke a washingtoni Humángenetikai Világkongresszusnak.

A Fővárosi Ítélőtábla 2003-ban egy hosszan húzódó per végén bűnsegédként jogerősen pénzbüntetésre ítélte egy magyar-amerikai örökbefogadási ügy kapcsán. A történtekről egy újságnak így nyilatkozott: "Mire megszületett az ítélet, naivságomat, hogy segíthetek az abortuszra ítélt magzatok életét megmenteni, elvesztettem. Valahogy rendet kellett csinálnom önmagamban, így megírtam a hét év történetét A Czeizel-ügy címmel."

Czeizel Endre sokrétű szakírói és ismeretterjesztő tevékenységet is végez, több mint 300 angol nyelvű tudományos közlemény, 28 magyar ismeretterjesztő, valamint 17 tudományos szakkönyv fűződik a nevéhez. A televízióban olyan népszerű, felvilágosító-ismeretterjesztő műsorokat vezetett, mint Az öröklődés titkai, a Születésünk titkai, a Jövőnk titkai, Az élet él és élni akar, a Ki viszi át a szerelmet, a Szexfilm, az AIDS, a Génjeink titkai. Az utóbbi években a zsenialitás gyökereit kutatja a kivételes tehetségű muzsikusok, költők, művészek, Nobel-díjas tudósok családfaelemzése alapján.

1966-ban lett az orvostudomány kandidátusa, 1978-ban akadémiai doktor. Számos más kitüntetés mellett 1995-ben megkapta a Magyar Köztársasági Érdemrend tisztikeresztjét, 2005-ben a Magyar Köztársasági Érdemrend középkeresztje kitüntetést. 2000-ben az Egyesült Államokban neki ítélték oda - megosztva - a Kennedy-díjat, amelyet a Kennedy Alapítvány ötévenként adományoz a testi-lelki fogyatékosságok megelőzéséért végzett kiemelkedő tevékenységek elismerésére, egyben a magzatvédő vitaminnal kapcsolatos kutatásait is méltányolták, 2002-ben megkapta az amerikai Fejlődési Rendellenességek Megelőzése Bizottságának díját is. 2011-ben Hazám-díjjal, 2012-ben Radnóti Miklós antirasszista díjjal, 2014-ben Semmelweis-díjjal tüntették ki.