Profesor de Neurociencia en la Universidad de Columbia. Estudió Medicina en la Universidad Autónoma de Madrid y en la Fundación Jiménez Díaz. Después de un breve periodo de investigación en el grupo de Sydney Brenner en Cambridge (Reino Unido), realizó los estudios de doctorado con Larry Katz en el laboratorio de Torsten Wiesel, en la Universidad Rockefeller de Nueva York. Más tarde se trasladó a los Laboratorios Bell, donde fue investigador postdoctoral en los grupos de los Drs. David Tank y Winfried Denk.

En 1996 se incorporó al Departamento de Ciencias Biológicas de la Universidad de Columbia, donde continua actualmente como Catedrático (Full Professor) de Neurociencias. En 2005 fue nombrado investigador del Instituto Howard Hughes y co-director del Instituto Kavli de Circuitos Cerebrales en la Universidad de Columbia. Desde 2014 es el Director del Centro de Neurotecnología de esa Universidad. Desde 2012 es investigador visitante en el Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro, en Seattle.

Sus líneas de investigación se centran en la estructura y función de los circuitos corticales, las propiedades biofísicas de las espinas dendríticas y el estudio de la patología de la epilepsia y enfermedades mentales relacionadas. Para el estudio de estas cuestiones, ha sido pionero en la aplicación de las técnicas de imagen óptica como el uso de fluoroforos de calcio en neuronas, imágenes de dos fotones de espinas dendríticas, fotoestimulación y microscopía holográfica. Estos avances técnicos han dado lugar a varias patentes, dos de las cuales están comercializadas bajo licencia.

Ha sido distinguido con numerosos premios por su trabajo, incluyendo el de Joven Investigador de la alcaldía de Nueva York, el de la Sociedad de Neurociencia Americana y el premio de Investigador Pionero del Director del NIH.

Ha publicado más de 170 trabajos de investigación, en revistas como Nature, PNAS, Nature Neuroscience, Nature Reviews Neuroscience, Science, Nature Methods, Neuron y otras de alto índice de impacto.

Es el ideólogo del "Mapa de Actividad Cerebral", un proyecto científico a gran escala, que propuso al Gobierno de EE.UU., cuyo objetivo sería desarrollar herramientas para registrar de forma sistemática y manipular la actividad de circuitos neuronales completos. Esta iniciativa, actualmente denominada "Investigación Cerebral a través de Innovaciones Neurotecnológicas Avanzadas" (BRAIN por sus siglas en inglés), fue adoptada en 2013 por el presidente Obama, y en dicho proyecto el Prof. Yuste tiene un papel relevante.