Mourou studierte Physik an der Universität Grenoble[3] und schloss dort mit dem Vordiplom ab[4]. 1970 wechselte er an die Universität Pierre und Marie Curie, wo er 1973 promoviert wurde. Als Post-Doktorand war er an der San Diego State University in Kalifornien. In den Jahren 1979 bis 1988 arbeitete er am Labor für Laser-Energetik der New Yorker University of Rochester und war dort sowohl Gruppenleiter der Pikosekunden-Physik wie auch Professor. Ab 1988 war er Professor an der University of Michigan, wo er 1990 Gründungsdirektor des Center for Ultrafast Optical Science war. 1995 wurde er dort zum A. D. Moore Distinguished University Professor Emeritus ernannt. Er ist Direktor des Labors für Angewandte Optik (Laboratoire d’Optique Appliquée, LOA) der École polytechnique, der ParisTech und des Centre national de la recherche scientifique (CNRS) in Palaiseau und Direktor des International Center for Zetta-Exawatt Science and Technology (IZEST) an der École Polytechnique.
Er befasst sich mit ultrakurzen Laserpulsen und ist zusammen mit Donna Strickland (seiner Doktorandin) einer der Erfinder der CPA (Chirped Pulse Amplification) zur Erzeugung sehr kurzer Laserpulse hoher Intensität, die bis in den Petawatt-Bereich reichen.[5][6]
Mit Toshiki Tajima und Sergei Wladimirowitsch Bulanow verfolgt er Ideen zur ultrarelativistischen Optik und Teilchenbeschleunigung mit Laserplasmen. Er befasste sich auch mit Lasern für die Augenchirurgie.
1994 war er Gastprofessor an den Universitäten Tokio und Grenoble.
mit H. E. Elsayed-Ali, T. B. Norris, M. A. Pessot: Time-resolved observation of electron-phonon relaxation in copper, Phys. Rev. Lett., Band 58, 1987, S. 1212
mit P. Maine, Donna Strickland, P. Bado, M. Pessot: Generation of ultrahigh peak power pulses by chirped pulse amplification, IEEE Journal of Quantum Electronics, Band 24, 1988, S. 398–403
mit D. Du, X. Liu, G. Korn, J. Squier: Laser-induced breakdown by impact ionization in SiO2 with pulse widths from 7 ns to 150 fs, Applied Physics Letters, band 64, 1994, S. 3071–3073
mit M. D. Perry: Terawatt to petawatt subpicosecond lasers, Science, Band 264, 1994, S. 917–924
mit A. Braun, G. Korn, X. Liu, D. Du, J. Squier: Self-channeling of high-peak-power femtosecond laser pulses in air, Optics Letters, Band 20, 1995, S. 73–75
mit D. Umstadter, S. y. Chen, A. Maksimchuk, R. Wagner: Nonlinear optics in relativistic plasmas and laser wake field acceleration of electrons, Science, Band 273, 1996, S. 472–475
mit X. Liu, D. Du: Laser ablation and micromachining with ultrashort laser pulses, IEEE Journal of Quantum Electronics, Band 33, 1997, S. 1706–1716
mit C. P. Barty, Michael Perry: Ultrahigh-intensity laser: physics of the extreme on a tabletop, Lawrence Livermore Lab 1997
mit M. Lenzner, J. Krüger, S. Santania, Z. Cheng, C. Spielmann, Wolfgang Kautek, Ferenc Krausz: Femtosecond optical breakdown in dielectrics, Phys. Rev. Lett., Band 80, 1998, S. 4076
mit A. C. Tien, S. Backus, Henry Kapteyn, Margaret Murnane: Short-pulse laser damage in transparent materials as a function of pulse duration, Phys. Rev. Lett., Band 82, 1999, S. 3883
mit Tibor Juhasz, Frieder H. Loesel, Ron M. Kurtz, Christopher Horvath, Josef F. Bille,: Corneal refractive surgery with femtosecond lasers, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Band 5, 1999, S. 902–910
mit T. Esirkepov, M. Borghesi, S. V. Bulanov, T. Tajima: Highly efficient relativistic-ion generation in the laser-piston regime, Phys. Rev. Lett., Band 92, 2004, S. 175003
mit T. Tajima, S. V. Bulanov: Optics in the relativistic regime, Reviews of Modern Physics, Band 78, 2006, S. 309
mit V. Yanovsky u. a.: Ultra-high intensity-300-TW laser at 0.1 Hz repetition rate, Optics Express, Band 16, 2008, S. 2109–2114