Этот ученый появился на свет 24 сентября 1905 года в Луарке, Испания. Мануэль Очоа (его отец) занимал должность юриста и вел бизнес, а мать звали Кармен де Альборнос. Мальчик был самым маленьким из 7 детей своих родителей. Отец отошел в мир иной, когда Северо Очоа было всего семь лет. Впоследствии Кармен переехала со своей семьей в Малагу, расположенную на побережье Средиземного моря, где будущий биохимик посещал начальную школу. Именно там учитель химии взрастил его интерес к естествознанию. Юноша очень вдохновился Нобелевской премией нейробиолога Рамон-и-Кахаля и решил углубиться в изучение биологии. После окончания среднего образования Очоа перешел в колледж Малаги и стал бакалавром в 1921 году. Наконец, в 1923 году он начал обучение в Мадридском университете (Медицинская школа). Через два года его пригласили работать в лабораторию Хуана Негрина. Эту должность он занимал на протяжении всей студенческой жизни. Здесь был разработан метод измерения малых уровней креатинина мышц. В 1927 году Очоа переехал в Глазго на стажировку, где воспользовался возможностью усовершенствовать свой английский язык. Летом 1929 года Северо стал магистром Медицинской Школы.
В 1959 году Очоа получил Нобелевскую премию. Он написал работу по физиологии и медицине, им был открыт механизм биологического синтеза РНК и ДНК совместно с Артуром Корнбергом, который работал отдельно по той же теме. Кроме того, ученый получил медаль Нойберга по биохимии в 1951 году и медаль Нью-Йоркского университета в 1959 году, золотую медаль Пауля Каррера в 1963 году и Национальную научную медаль США в 1979 году. С 1961 по 1967 год Северо Очоа занимал пост президента Международного союза биохимии. Кроме того, был членом ряда ученых обществ и получил почетные степени в университетах Вашингтона, Глазго, Оксфорда, Бразилии. Биохимик в основном работал над ферментативными процессами в биологическом окислении и синтезе, передачей энергии. Его исследования стали значительным вкладом в понимание механизма жизни.
В 1931 году Очоа связал себя узами брака с Кармен Гарсиа Кобиан и оставался с ней до самой ее смерти в 1986 году. У них не было детей. Сам ученый умер от пневмонии 1 ноября 1993 года в Мадриде, Испания. Астероид Северочоа (117435), обнаруженный 14 января 2005 года в Испании, был назван в его честь. Новый исследовательский центр в Испании также носит его имя. Почтовая служба Соединенных Штатов выпустила почтовую марку в честь этого человека в июне 2011 года.