Nach seinem Studium der Medizin in Utrecht und Leyden ging Graaf nach Frankreich, um anatomische Studien an der Bauchspeicheldrüse durchzuführen. Zurück in den Niederlanden ließ sich Graaf 1667 in Delft nieder. Wenige Monate vor seinem Tod empfahl er als Mitglied der Royal Society in London die Beachtung von Antonie van Leeuwenhoek und seiner exzellenten Mikroskope.

Graaf ist der Entdecker der Follikel im Eierstock, die seither auch nach ihm benannt werden. Aus der Beobachtung einer ektopen Schwangerschaft schloss er, dass im Inneren eines Follikels eine Eizelle vorhanden sein müsse, obwohl er nie eine solche sah. Er beschrieb die Funktion des Eileiters und verwies auf die Bedeutung einer Hydrosalpinx auf die Fertilität der Frau.

Als Katholik in den mehrheitlich protestantischen Niederlanden war ihm eine Universitätskarriere verwehrt. Nach dem frühen Tod eines Sohnes schied er vermutlich durch Suizid aus dem Leben.

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