Manabe promovierte 1958 an der Universität Tokio und verließ danach Japan, um seine wissenschaftliche Karriere in den USA fortzusetzen. 1968 wurde er als Professor an die Princeton University (New Jersey) berufen. Dort leistete er die Forschungsarbeiten, für die er 2021 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde.