Herausragende wissenschaftliche Karriere in einem bewegten Leben: Im Alter von 11 Jahren kam er nach Athen und begann dort 1898 mit dem Studium der Humanwissenschaften und Musik. Entsprechend dem Wunsch seines Vaters wechselte er an die medizinische Fakultät und promovierte im Jahre 1904 zum Doktor der Medizin. Im Anschluss daran leistete er seinen Militärdienst ab.
Papanicolaou sah seinen weiteren Weg in der medizinischen Forschung und ging 1907 vorerst nach Jena/Deutschland und anschließend an das Zoologische Institut in München. Im Jahre 1910 promovierte er zum Doktor der Philosophie in München. Sein weiterer Lebensweg führte ihn nach Paris, wo er ein Jahr am Physiologischen Institut arbeitete. Im Anschluss daran ging er zurück nach Griechenland und diente während des Balkankrieges (1912/1913) in der griechischen Armee. Nach Beendigung der Militärzeit entschied sich Papanicolaou, in die USA zu gehen, am 19. Oktober 1913 landete er mit seiner Familie auf Ellis Island (vor New York). Er finanzierte vorerst seinen Lebensunterhalt in New York als Verkäufer, als Musiker (Violinist) in Restaurants und als Angestellter einer griechischen Zeitung. Nach einiger Zeit bekam er eine Assistentenstelle am pathologischen Department des New York Hospital und kurz danach am Anatomischen Institut am Cornell Medical College. 1927 wurde Papanicolaou die amerikanische Staatsbürgerschaft verliehen.
Seine wissenschaftliche Arbeit fokussierte auf Physiologie, Reproduktion und Exfoliativzytologie, er arbeitete auf diesen Gebieten sowohl am New York Hospital als auch am Cornell Medical College; beide Institutionen führten später seinen Namen. Im Jahre 1951 emeritierte er am Cornell Medical College, ging nach Florida und wurde zum Leiter des Miami Cancer Institute ernannt. Auch diese Institution trägt heute seinen Namen (Papanicolaou Cancer Research Institute).
Entwicklung des „Pap Smear“: Seine Arbeiten auf dem Gebiet der Exfoliativzytologie begannen bereits 1916. Papanicolaou entdeckte, dass auch Meerschweinchen einen Mens – truationszyklus haben und wies zyklische Veränderungen der Vaginalsekretion und der Vaginalzellen während des Zyklus nach.
1923 berichtete Papanicolaou einer ungläubigen Zuhörerschaft über seine Methode der Zellgewinnung aus der Scheide mit anschließender mikroskopischer Untersuchung als Möglichkeit, ein Zervixkarzinom zu diagnostizieren. Besonders wies er darauf hin, dass diese Zellen nur unter dem Mikroskop identifiziert werden könnten, makroskopisch wäre hingegen kein Befund zu erheben.
„The first observation of cancer cells in the smear of uterine cervix gave me one of the greatest thrills I ever experienced during my scientific career.“
Auf einer Konferenz im Jahre 1928 stellte Papanicolaou seinen „low-cost“, einfach durchzuführenden Screeningtest für die frühe Erfassung von Krebszellen dar. Seinen Ausführungen wurde mit großer Skepsis und teilweise auch Ablehnung von Seiten der wissenschaftlichen Community begegnet, und deshalb war es nicht vor den frühen 1950-Jahren, bevor das Pap- Screening auf breiterer Basis begann. Eine Vielzahl seiner Arbeiten wurde in Zusammenarbeit mit dem Biochemiker Charles Rupert Stockard (1879–1939) durchgeführt, seine In-vivo-Untersuchungen vom Jahre 1939 an in Zusammenarbeit mit dem Gynäkologen Herbert Friederich Traut (1894–1963).
Die durch Papanicolaou und Traut inaugurierte einfache und kostengünstige Methode zur frühen zytologischen Diagnose von Gebärmutterhalskrebs (und Vorstufen) hat zu einem drastischen Rückgang von invasiven Zervixkarzinomen geführt und viel Leid verhindert.