وی تحصیلات عالی خود را از دانشکده فنی دانشگاه تهران آغاز کرد و در سال ۱۳۲۱ دانش‌آموخته این دانشگاه شد. سپس به آمریکا مهاجرت کرد و در دانشگاه‌های این کشور فوق لیسانس و دکترای خود را کسب کرد و به تدریس پرداخت.پروفسور لطفی‌زاده در سال ۱۳۳۵ کار تمام وقت خود را با سمت استادی در دانشکده مهندسی برق دانشگاه «برکلی» آغاز کرد و در فاصله سال‌های 1346-1341 ریاست این دانشکده را برعهده داشت.تا سال ۱۳۴۳ تحقیقات پروفسور لطفی‌زاده عموما در زمینه تئوری سیستم‌ها و تجزیه و تحلیل تئوری تصمیمات بود. در آن سال، وی تئوری منطق فازی را پایه‌گذاری کرد سپس در زمینه کاربردهای این تئوری در هوش مصنوعی، زبان‌شناسی، منطق، تئوری تصمیمات، تئوری کنترل، سیستم‌های خبره و شبکه‌های اعصاب به تحقیقات گسترده‌ای پرداخت.

تحقیقات پروفسور لطفی‌زاده در زمینه منطق فازی در بخش‌های گوناگون طراحی نرم‌افزار و سخت‌افزار و محاسبات کامپیوتری بر مبنای کلمات، تئوری شعور کامپیوتر، در درک زبان طبیعی و صنایع سبک و سنگین متمرکز شده بود. پروفسور لطفی‌زاده به‌عنوان کاشف و مبتکر «منطق فازی» شهرت جهانی دارد. وی که در جهان علم به «پروفسور زاده» معروف است، طی یک مقاله علمی کلاسیک که در سال ۱۳۴۳ به چاپ رسید، مفهوم مجموعه فازی را که مبتنی بر تئوری تجزیه و تحلیل سیستم‌های پیچیده است، بر اساس زبان طبیعی معرفی کرد.