Ο Γεώργιος Παπανικολάου γεννήθηκε τον Μάιο του 1883 στην Κύμη της Εύβοιας. Ήταν το τρίτο παιδί του Νικόλαου και της Μαρίας Παπανικολάου, και ο πατέρας του ήταν γιατρός αλλά και πολιτευτής, καθώς υπήρξε δήμαρχος Κύμης και βουλευτής Καρυστίας, προσφέροντας πολλά στην πατρίδα του.
Στην Κύμη έζησε τα παιδικά του χρόνια· καθώς μόλις τέλειωσε το Δημοτικό σχολείο, οι γονείς του τον έστειλαν στην Αθήνα για να συνεχίσει τις σπουδές του. Μόλις ολοκλήρωσε τις γυμνασιακές σπουδές του το 1898, άρχισε να φοιτά στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου Αθηνών σε ηλικία 16 ετών. Στα 21 του χρόνια έλαβε το πτυχίο του και έπειτα εκπλήρωσε τη στρατιωτική του θητεία. Τότε ήταν που ο πατέρας του του πρότεινε να συνεχίσει την πορεία του ως στρατιωτικός ιατρός, μια πρόταση που δεν δέχθηκε καθόλου ελαφρά ο Γιώργος, αφού την απέρριψε κατηγορηματικά, όπως είναι φανερό από την μεταξύ τους αλληλογραφία: «Όχι, δεν θέλω να γίνω στρατιωτικός γιατρός. Θέλω να μείνω ελεύθερος, να αισθανθώ τη χαρά που μου δίνει ο αγώνας της ζωής. Εμένα δεν με τρομάζει το πέλαγος. Θέλω την ελευθερία μου, τη γλυκιά μου ελευθερία.» Αυτή ήταν η απάντησή του στον πατέρα του. Ήταν ιδιαίτερα φιλομαθής, καταπιάστηκε με την εκμάθηση ξένων γλωσσών, ενώ ασχολήθηκε με τη φιλοσοφία, τη λογοτεχνία και τη μουσική, μάλιστα επιδόθηκε στη μελέτη του βιολιού για οχτώ χρόνια! Έπειτα από τις σπουδές του επέστρεψε στην Κύμη, όπου αξιοποίησε τον ελεύθερό του χρόνο εμβαθύνοντας στη φιλοσοφία. Ο Φρίντριχ Νίτσε συνέβαλε σε μεγάλο βαθμό στη διαμόρφωση του τρόπου σκέψης του, ενώ επίσης επηρεάστηκε από τους Γιόχαν Βόλφγκανγκ Γκαίτε, Ιμμάνουελ Καντ και Άρθουρ Σοπενχάουερ.
Σε αυτό το διάστημα, κατά το οποίο ασχολήθηκε βαθύτερα με τη φιλοσοφία, συλλογίστηκε τον λόγο που αποφάσισε να γίνει γιατρός, μιας και δεν σκόπευε να εξασκήσει αυτό το επάγγελμα. Τότε ήταν που ο πατέρας του πήρε την απόφαση να διαθέσει τις οικονομίες του για ανώτερες σπουδές του γιου του στο εξωτερικό, αναγνωρίζοντας τις δυνατότητές του. Αποφάσισε, λοιπόν, να φοιτήσει στη Γερμανία, πατρίδα των μεγάλων φιλοσόφων που συνέβαλαν σημαντικά στον καθορισμό του σκεπτικού του νέου Γιώργου.
Ο Παπανικολάου επέλεξε να εμβαθύνει στον κλάδο της Βιολογίας, σπουδάζοντας στα πανεπιστήμια της Ιένας, του Μονάχου και του Φράιμπουργκ, στα οποία είχε μερικούς από τους μεγαλύτερους καθηγητές της εποχής: Χαίκελ, Βάισμαν, Χέρτβιγκ. Σύντομα έλαβε το διδακτορικό του για τη διατριβή του με τίτλο: «Περί των συνθηκών της διαφοροποιήσεως του φύλου των Δαφνιδών». Εκείνη την περίοδο επέστρεψε και πάλι στην Ελλάδα, όπου βρέθηκε σε μια περίοδο στοχασμού και εσωτερικής ανασκόπησης. Ασχολήθηκε περαιτέρω με τις πολιτικές και επιστημονικές του πεποιθήσεις, οι οποίες ήταν ριζοσπαστικές για την εποχή. Τελικά, έπειτα από αυτήν την περίοδο φιλοσοφικού στοχασμού, κατέληξε πως ο δρόμος για αυτόν ήταν η έρευνα στη βιολογία. Σε σχετικό γράμμα του προς τον πατέρα του γράφει: «Δεν είμαι πλέον ονειροπόλος. Η επιστήμη με άρπαξε από τα χέρια του Νίτσε. Πατώ απάνω σε έδαφος στερεό…»
Το 1910 παντρεύτηκε τη σύζυγό του, Ανδρομάχη Μαυρογένη, και έπειτα αναχώρησαν για τη Γαλλία, όπου εργάστηκε στην ερευνητική ομάδα του πρίγκιπα του Μονακό Αλβέρτου Α’, στο Ωκεανογραφικό Ινστιτούτο του Μονακό, μια δουλειά που βρήκε εν γένει μονότονη. Ύστερα επέστρεψε και πάλι στην Ελλάδα, η οποία περνούσε δύσκολες στιγμές στους Βαλκανικούς Πολέμους, στους οποίους και επιστρατεύτηκε. Κατά τη διάρκεια των πολέμων γνώρισε πολλούς μετανάστες από την Αμερική, οι οποίοι είχαν έρθει να πολεμήσουν εθελοντικά. Με τη συναναστροφή του με αυτούς του δημιουργήθηκε η αντίληψη ότι μόνο εκεί υπήρχαν κατάλληλες συνθήκες για επιστημονική έρευνα. Έτσι, με το πέρας του πολέμου το 1913, μετανάστευσε με τη σύζυγό του στον Νέο Κόσμο, όπου τους περίμενε δύσκολο ξεκίνημα.
Αρχικά, αναγκάστηκαν και οι δύο να εργαστούν σε δουλειές που καμία σχέση δεν είχαν με την μόρφωσή τους, όμως με υπομονή και επιμονή έκαναν πρόοδο. Ο Παπανικολάου παρουσιάστηκε στον καθηγητή Morgan, ο οποίος γνώριζε για τις εργασίες του την εποχή που ήταν στο πανεπιστήμιο του Μονάχου. Με αυτόν τον τρόπο κατάφερε να κερδίσει μια θέση στο τμήμα Ανατομίας του Πανεπιστημίου Cornell της Νέας Υόρκης, κοντά στον καθηγητή Stockard. Από εκεί και έπειτα εργάστηκε πολύ σκληρά και ξετύλιξε όλο το φάσμα των δυνατοτήτων του, λαμβάνοντας μάλιστα και τη θέση του τακτικού καθηγητή ανατομίας και ιστολογίας. Μετά από μια μακρά περίοδο ερευνών, δημοσίευσε την πρώτη του εργασία πάνω στη μεταβίβαση των εκφυλιστικών αλλοιώσεων στους απογόνους των θηλαστικών που είχαν κάνει κατανάλωση αλκοόλ. Έπειτα αποφάσισε να ολοκληρώσει τις πειραματικές έρευνες που είχε αρχίσει στη Γερμανία και έτσι μελέτησε τα κολπικά επιχρίσματα των ινδικών χοιριδίων. Τα αποτελέσματά του ήταν ιδιαίτερα ενθαρρυντικά και έτσι συνέχισε τις έρευνές του, στρεφόμενος σε προβλήματα αναπαραγωγής σχετιζόμενα με τη λειτουργία των γεννητικών οργάνων, τον καθορισμό του φύλου, τη λειτουργία των ενδοκρινών αδένων και των φυλετικών ορμονών.
Οι μακροχρόνιες έρευνές του απέδωσαν καρπούς, αφού το 1923 επισήμως άρχισε την εφαρμογή της μεθόδου του pap-smear, πραγματοποιώντας την κυτταροδιαγνωστική του μέθοδο πρώτα σε γυναίκες χωρίς προβλήματα υγείας και το 1925 ακολούθησαν τα πρώτα κλινικά ευρήματα σε καρκινοπαθείς γυναίκες του Women’s Hospital της Νέας Υόρκης. Το 1928 δημοσίευσε την εργασία του: «Νέα διάγνωση του καρκίνου», η οποία δεν έγινε ανοικτά δεκτή από την επιστημονική κοινότητα, μιας και μέχρι τότε η μόνη μέθοδος διάγνωσης ήταν με τομή του πάσχοντος οργάνου.
Το γεγονός ότι η μέθοδος του δεν έγινε άμεσα αποδεκτή δεν τον πτόησε· συνέχισε ακάθεκτος τις έρευνές του, ενώ επεκτάθηκε και σε μελέτες περί των κυτταρολογικών αλλοιώσεων στον καρκίνο του τραχήλου, της μήτρας και στο ενδομήτριο. Τα αποτελέσματά του τα δημοσίευσε από κοινού με τον καθηγητή γυναικολογίας Trauth στην πλέον διάσημη εργασία τους: «Διάγνωση του καρκίνου του τραχήλου της μήτρας από τα κολπικά επιχρίσματα».
Από το 1940 είχαν ξεκινήσει οι μαζικοί έλεγχοι γυναικών στην Αμερική, οι οποίοι μείωσαν αισθητά τα ποσοστά θνησιμότητας από τον καρκίνο του τραχήλου της μήτρας. Τα επόμενα χρόνια, περί το 1960, επεκτάθηκαν αυτά τα προγράμματα και στην Ευρώπη, καταγράφοντας τα ίδια ελπιδοφόρα αποτελέσματα. Έπειτα από αυτήν την τρομερή επιτυχία, ο Παπανικολάου επιδόθηκε στην εκπαίδευση των γιατρών στην τεχνική λήψης και χρώσης των επιχρισμάτων και της διάγνωσης του καρκίνου.
Το μνημειώδες έργο του «Άτλας της Αποφολιδωτικής Κυτταρολογίας», μία από τις τελευταίες συνεισφορές του στην επιστήμη (1954), εδραίωσε και επίσημα πλέον τη νέα ιατρική πρακτική και ειδικότητα την οποία ο ίδιος εφηύρε και ανέπτυξε.
Ο Γεώργιος Παπανικολάου μέχρι το τέλος της ζωής του είχε κατακτήσει όλους τους τίτλους της ιεραρχίας στο πανεπιστήμιο Cornell, οι οποίοι ήταν τιμητικοί, μιας και ποτέ δεν κλήθηκε να διδάξει, ώστε να αφοσιωθεί πλήρως στο ερευνητικό του έργο. Ο Παπανικολάου ποτέ δεν κατοχύρωσε την πατέντα προς οικονομικό του όφελος, αλλά την προσέφερε στον κόσμο αφιλοκερδώς.
Στα τέλη της ζωής του ανέλαβε την οργάνωση του Καρκινολογικού Ινστιτούτου του Miami, Florida, όπου και ήρθε το τέλος του όταν η αλλαγή περιβάλλοντος και η γενικότερη κόπωση της εργασίας του τον οδήγησαν σε μια καρδιακή προσβολή.
Ο Παπανικολάου, με το έργο του, έσωσε, σώζει και θα σώζει για πολλά χρόνια αμέτρητες ζωές γυναικών σε όλο τον κόσμο με το τεστ Παπανικολάου, το οποίο και έχει πάρει το όνομά του. Υπήρξε αρκετά τυχερός ώστε να βιώσει την αναγνώριση. Προτάθηκε για το βραβείο Nobel, το οποίο έχασε διότι η επιτροπή θεώρησε πως δεν μπορούσε να βραβεύσει την εύρεση μιας μεθόδου διάγνωσης αλλά την ανακάλυψη της θεραπείας, σκεπτικό που εύλογα μπορεί να αμφισβητήσει κανείς, μιας και το τεστ Παπανικολάου πράγματι σώζει ζωές! Πλέον έχει καθιερωθεί, και όλες οι σεξουαλικά ενεργές γυναίκες υποβάλλονται στην εξέταση τακτικά, ή τουλάχιστον θα έπρεπε, ώστε να εντοπίζεται ο καρκίνος της μήτρας όταν είναι ακόμα σε πρώιμο και ιάσιμο στάδιο.