Estudió Humanidades y Filosofía (1944-1950). Licenciado en Ciencias Naturales, Universidad Complutense de Madrid, UCM (1955). Licenciado en Teología, Facultad de Granada (1959). Doctor en Ciencias Biológicas (1966). Estudios en el Instituto de Paleontología de Sabadell, y en París, Pisa, Roma, Mainz, San Petersburgo, Universidad de Chicago y otros centros de EE.UU. Colaboró en excavaciones en los sitios arqueológicos de Torralba y Ambrona (1961 a 1963), y en la Necrópolis del Grupo X de Argin, Sudán (1963). Estancia en Sudáfrica para estudio de Australopitecos (1967).

Profesor Ayudante interino de Paleontología, Universidad de Granada (1956-1959). Encargado de Curso de Cuaternario y Paleontología Humana, Facultad de Ciencias Geológicas y en Ciencias Biológicas, UCM (1961-66). Profesor Ayudante de Geología, E.T.S. de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Madrid (1965-66). Prof. Adjunto de Paleontología, Facultad de Geología, UCM (1966-68). Profesor visitante de Antropología, Facultad de Ciencias Sociales, Pontificia Universidad Católica de Perú (1967, 1968). Profesor Encargado de Cátedra de Biología, Facultad de Medicina, UAM (1968-70). Prof. Agregado de Cuaternario y Paleontología humana, UCM (1971-74). Investigador del C.S.I.C., Instituto Lucas Mallada (1974-77 y en 1979-82). Catedrático de Paleontología, Universidad de Zaragoza (1978-79). Catedrático de Paleontología, UCM (1982-84). Profesor de Investigación del C.S.I.C. (1984-1990, año de su jubilación). Director del Museo Nacional de Ciencias Naturales (1985-1986). Doctor vinculado honoris causa al MNCN (1991- 2021). Dirigió 26 tesis doctorales.

Impartió cursos en la Universidad Mayor de San Marcos, Lima, de Paleontología de Vertebrados y Humana (1967), y Geología del Cuaternario (1968). Cursillos de Antropología en la Universidad Cayetano Heredia, Lima (1968), y en la Universidad Central de Caracas, y Museo Arqueológico de Valencia, Venezuela (1985). Organizó y dirigió un Cursillo Hispano-Francés de Cuaternario en Madrid (1974), un curso universitario de verano en Lanzarote sobre Atapuerca (2002), cursos y seminarios internacionales en El Escorial (1995), y en la Fundación Ramón Areces, Madrid (1996); fue profesor en un Curso-Taller de Paleontología de la Universidad Nacional de San Antonio de Cuzco y Fundación "Multiciencias", en Cuzco (1999). Conferencias en Estados Unidos, Argentina, Sudáfrica, Argelia, Egipto, Italia, Francia, Inglaterra.

Organizador y director de un Seminario sobre Evolución Biológica para profesores de la Facultad de Ciencias de Granada y de la Facultad de Teología de Cartuja (1958); de ciclos sobre Evolución y Antropología en el Ateneo Científico, Literario y Artístico de Madrid (1963-65); y en el C.M. Ntra. Sra. de África, Madrid (1964-1972); conferencia de campo Internacional sobre Neógeno-Cuaternario, de Montpellier a Madrid (1974); acciones integradas con universidades de Marsella y Liverpool y el equipo de Atapuerca (1978, 1979); simposio internacional “Evolución de la Familia Humana” en Fundación Ramón Areces, Madrid.

Prospector de yacimientos de dinosaurios en la Cuenca de Tremp (1955, 1956) y prospector y descubridor de 30 nuevos yacimientos de Cenozoico marino y continental en Granada (1956-61); varios en ambas Castillas, Murcia y Valencia; en el centro-N y NW de Kenya, Chepkesin y Alto Suguta (1969) en Programa de la Fundación Boise y por encargo del Director de los Museos Nacionales de Kenya, Dr. L. Leakey, y en el Cuaternario litoral de Perú, en Mauritania y Guinea Ecuatorial (1967-68). Excavación preliminar en el sitio de ocupación paleolítico de Las Gándaras de Budiño, Pontevedra (1963), y en el karst Plioceno de Layna, Soria (1972). Estudios de bioestratigrafía y correlaciones en cuencas euroasiáticas de Plioceno-Pleistoceno en programas internacionales (1973-85).

Iniciador y primer director del Proyecto interdisciplinar y a largo plazo de excavaciones e investigación sobre pobladores de Europa, su evolución, arqueología y paleoecología en el Pleistoceno antiguo del karst de Sierra de Atapuerca (1976-90), y formador de su equipo de científicos. Colaborador en proyectos sobre Paleolítico en Galicia con Juan Cano, y Cuaternario global con Caridad Zazo, estudió además el influjo de factores ecológicos en crisis evolutivas del grupo humano y en el registro fósil (1995-2001). Intervino también en la formación de un grupo de trabajo internacional, sobre taxonomía y nomenclatura del Grupo humano, dirigido por C.J. Cela-Conde y F. Ayala (1999).

Sus resultados más relevantes son:

- La revisión de la Familia Elephantidae y su filogenia con análisis morfométricos.
- Seis especies nuevas de mamíferos fósiles como autor o co-autor.
- Redefinición de tres términos biostratigráficos del Mioceno Superior, usados hoy globalmente, y primera identificación del "Vallesiense" en África Oriental.
- Aproximación cronológica de episodios de reactivación tectónica compresiva en Plioceno Medio y Superior (Ibero-Manchega I y II).
- Calibración de la crisis orogénica, paleogeográfica, climática, paleobotánica y faunística globales, entre hace 6,9 y 5,3 Ma ("Messiniense") en colaboración con científicos de otros países.
- Nueva definición unívoca del Cuaternario y la Base del Pleistoceno, adoptada por la ICS (Comisión Internacional de Estratigrafia) en 1985 y confirmada por la IUGS para la Escala Estratigráfica Global en 1989.

El conjunto de yacimientos de Atapuerca ha resultado ser singular por la cantidad de fósiles humanos en Gran Dolina-TD6, de hace 800.000 años, y en SH de hace unos 320.000 años, de diferentes razas, y por el largo registro, próximo a un millón de años, de cambios ambientales bien calibrados, culturales y modo de vida: declarado Patrimonio de la Humanidad por la UNESCO (1997).

En 1973, renovó el Comité Español del Cuaternario, vínculo con la International Union for Quaternary Research (INQUA), y el Grupo Español de Trabajo del Cuaternario: los presidió hasta 1991. Fue miembro de los proyectos 25 y 41 del Programa Internacional de Correlación Geológica (IGCP) de IUGS y UNESCO, y directivo del Proy. 41, hasta 1985 al cumplirse los objetivos. Miembro de las Comisiones de Estratigrafía y de Paleoecología Humana, de INQUA (1973-1977). Presidente de una Subcomisión de INQUA y un Grupo de Trabajo de la ICS (1977-89). Iniciador de un Grupo de Trabajo internacional sobre Industria Prehistórica de Hueso en 1978, que presidió hasta 1983. Son de destacar sus contribuciones a la promoción de Proyectos del IGCP sobre Evolución de Líneas de Costa, y Desertización (1998). Miembro de la Comisión directiva de la Asociación Internacional de Paleontología humana desde su fundación en 1985, y del Comité Asesor de la Fundación Duques de Soria. Perteneció al comité editorial de varias revistas científicas.

Académico Correspondiente de la Real Academia de Córdoba de Ciencias, Bellas Letras y Nobles Artes (1964), del Centro de Estudios Sorianos (1967) y de la Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas, Químicas y Naturales de Zaragoza (2002).

Autor o coautor de 4 libros y monografías, uno internacional. Editor o coeditor de 13 libros multiautor, uno internacional. Autor o coautor de 300 artículos o capítulos científicos, 80 de ellos en revistas o libros internacionales, y autor de 157 crónicas, resúmenes, prólogos, recensiones, artículos de divulgación en enciclopedias, revistas, diarios o páginas web; artículos en diccionarios y vocabularios científicos, 105 voces en el Diccionario de Arqueología de J. Alcina Franch (1998). 87 trabajos reimpresos publica Zona Arqueológica, vol. 2, 2003, Museo Arqueológico Regional, Alcalá de Henares.

Entre otros galardones, recibió el Premio Extraordinario de Licenciatura (1955), el Premio Extraordinario de Doctorado (1966), la Medalla del CSIC (1986), Insignia de Oro del Colegio Oficial de Geólogos (1997) y el Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica (1997). Doctor Honoris Causa por la Universidad de Burgos (2007).