Kouwenhoven studeerde in Delft en promoveerde daar ook, waarna hij enkele jaren op Harvard werkte. Een hoogleraarschap daar sloeg hij echter af. Sinds 1999 bekleedt hij een leerstoel in Delft.

Zijn proefschrift, over de elektronische eigenschappen van puntcontacten, (1992) bevatte al zes publicaties in topbladen. Daarin liet hij zien dat de stroom door zulke contacten in stapjes verloopt, gequantiseerd is.

Kouwenhoven vestigde zijn internationale bekendheid met de ontdekking dat piepkleine eilandjes van sommige materialen zich elektronisch gedragen als kunstmatige atomen.

De laatste jaren onderzoeken Kouwenhoven en zijn Delftse groep zogeheten spinqubits, die nu worden gezien als een mogelijke basistechnologie voor quantumcomputers. Dat zijn computers waarin in theorie vele berekeningen tegelijk kunnen worden uitgevoerd. In plaats van elektrische of magnetische lading wordt daarbij de quantummechanische draaitoestand van individuele elektronen als digitale één of nul gebruikt om te rekenen.

Delft slaagde er enkele jaren geleden als eerste in de spin van één elektron uit te lezen zonder het systeem te verstoren, wat als een grote belofte voor het quantumrekenen werd gezien.