Ton Groothuis promoveerde cum laude in 1986 op de ontwikkeling van communicatiegedrag bij vogels. Hij deed daarna onderzoek in Cambridge (Groot-Brittanniƫ) naar de relatie tussen communicatiegedrag en hormonen. Vervolgens kreeg hij een onderzoekspositie aan de universiteit van Groningen (RUG) waar hij in 2005 tot hoogleraar en hoofd van de onderzoeksgroep Gedragsbiologie werd benoemd. Hij is onder andere coƶrdinator van de topmaster in Gedrag, Cognitie en Neurowetenschappen en directeur van het Centrum voor Gedrag en Neurowetenschappen aan de RUG.

Groothuis zijn onderzoek concentreert zich op drie onderwerpen: de lateralisatie van hersenen en gedrag, persoonlijkheid bij dieren, en de invloed van moederlijke hormonen op de gedragsontwikkeling van het kind, alsmede de onderlinge verbanden tussen  deze onderwerpen. Voor zijn onderzoek maakt Groothuis gebruik van verschillende diersoorten (insecten, vissen, vogels, knaagdieren) inclusief de mens, waarbij hij naar de combinatie van gedrag, fysiologie en evolutie kijkt.