Er studierte an der Princeton University und schloss dort mit dem Doktorat ab. 1929 wurde er dort Professor für Mathematik.
Am bekanntesten ist er für seine Entwicklung des Lambda-Kalküls. Er publizierte dazu 1936 einen Bericht, in dem er damit demonstrierte, dass es unentscheidbare Probleme gibt (d.h. die Antwort auf eine Fragestellung ist nicht mathematisch berechenbar). Dieses Resultat regte seinen Studenten Alan Turing zu seinen Überlegungen zum Halteproblem an, welches auch unentscheidbar ist.
Church und Turing fanden dann heraus, dass der Lambda-Kalkül und die Turingmaschine ebenbürtig in der Ausdruckskraft sind und konnten noch einige weitere äquivalente Mechanismen zum Berechnen von Funktionen angeben.
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