Το 1898 ο Γεώργιος Παπανικολάου, σε ηλικία 16 ετών, μπήκε στην Ιατρική σχολή του Πανεπιστημίου Αθηνών. Τελειώνοντας, παρά τη διαγραφόμενη βεβαιότητα μιας καλής ιατρικής σταδιοδρομίας, δεν δέχτηκε την πρόταση του πατέρα του να ακολουθήσει την καριέρα του στρατιωτικού γιατρού και με μια επιστολή του της 31ης Δεκεμβρίου 1904 διαμηνύει:
«… όχι δεν θέλω να γίνω στρατιωτικός γιατρός. Θέλω να μείνω ελεύθερος, να αισθανθώ την χαρά που δίνει ο αγών της ζωής. Εμένα δεν με τρομάζει το πέλαγος. Θέλω την ελευθερία μου, τη γλυκιά μου ελευθερία…».
Τελικά, το 1907 συνέχισε τις σπουδές του στη Γερμανία σπουδάζοντας Βιολογία και Ζωολογία. Εκεί προχώρησε στην εκπόνηση διδακτορικής διατριβής με θέμα «Περί των όρων της φυλετικής διαφοροποιήσεως των Δαφνιδών» (τα φυτά της δάφνης). Επιστρέφοντας στην Ελλάδα απογοητεύτηκε αφού η σύγκριση της επιστημονικής έρευνας με τη γερμανική ήταν καθοριστική.
Παντρεύτηκε το 1910 την Ανδρομάχη Μαυρογένη και αναχώρησαν για τη Γαλλία. Εκεί βρήκε εργασία στο ωκεανογραφικό ινστιτούτο του Μονακό όπου παρέμεινε για λίγους μήνες. Ακολούθησε μια διετία μεταξύ Ελλάδας και Γερμανίας και με το ξέσπασμα του Α΄ Βαλκανικού πολέμου επιστρατεύτηκε. Πολλοί Έλληνες μετανάστες είχαν έλθει από την Αμερική στην Ελλάδα για να πολεμήσουν και η παρέα μαζί τους του έδωσε την ιδέα για την μετάβασή του εκεί για να ασχοληθεί με την έρευνα. Πίστευε ότι οι συνθήκες στην Αμερική ήταν πρόσφορες.
Εκεί τα πράγματα ήταν δύσκολα. Όμως η εξαιρετική διδακτορική διατριβή του προκάλεσε το ενδιαφέρον του γενετιστή του πανεπιστημίου Κολούμπια Τ. Χ. Μόργκαν. Αυτός είχε χρησιμοποιήσει τα πορίσματά της στο έργο του. Ο Μόργκαν μεσολάβησε και ο Παπανικολάου διορίστηκε βοηθός στο παθολογοανατομικό τμήμα του νοσοκομείου της Νέας Υόρκης. Από εκεί μεταπήδησε στο ανατομικό εργαστήριο του πανεπιστημίου Κορνέλ και ξεκίνησε το ερευνητικό του έργο.
Μελετώντας το κολπικό επίχρισμα των κατώτερων θηλαστικών, το συσχέτισε με τον κύκλο και τις μεταβολές στη μήτρα και τις ωοθήκες. Συνέχισε με κλινικές και εργαστηριακές μελέτες για τη διαγνωστική αξία της εξέτασης των κυττάρων του κολπικού επιχρίσματος στον άνθρωπο. Η μέθοδος της μελέτης του κολπικού επιχρίσματος εφαρμόστηκε σε γυναίκες του «Women’s Hospital» της Νέας Υόρκης και έγινε η βάση για την έγκαιρη διάγνωση του καρκίνου του τραχήλου της μήτρας. Όπως σχεδόν όλες οι πρωτοπόρες ανακαλύψεις έτσι και η πρώτη ανακοίνωση του Παπανικολάου το 1928 με τίτλο «Νέα διάγνωση του καρκίνου» αντιμετωπίστηκε με επιφυλάξεις.
Βέβαια η συνέχεια ήταν λαμπρή. Ο Παπανικολάου από το 1947 μέχρι το 1957 ήταν ο καθηγητής της Κλινικής Ανατομικής στο Πανεπιστήμιο Κορνέλ ενώ από το 1961 ανέλαβε την οργάνωση του του Καρκινολογικού Ινστιτούτου στο Μαϊάμι.
19 Φεβρουαρίου 1962 στο Μαϊάμι. Ο Γεώργιος Παπανικολάου πέθανε. Αν και προτάθηκε για Νόμπελ δύο φορές (το 1953 και το 1960), η Βασιλική Ακαδημία της Στοκχόλμης αρνήθηκε. Φοβήθηκε την εξαιρετικά πρωτοπόρα κυτταροδιαγνωστική μέθοδο που ονομάστηκε «Τest Pap» και που από το 1928 μέχρι σήμερα έχει σώσει τη ζωή εκατομμυρίων γυναικών ανά τον κόσμο.
