Neil Hayes é graduado pelo Davidson College com bacharelado em química. Ele completou sua graduação em medicina na University of North Carolina, Chapel Hill e, em seguida, um mestrado em saúde pública na Harvard Chan School of Public Health. Sua residência foi no Boston City Hospital no programa da Escola de Medicina da Universidade de Boston e, em seguida, estágio em Hematologia/Oncologia na Tufts New England School of Medicine, onde também concluiu o mestrado em Pesquisa Clínica. Em paralelo, ele completou o treinamento de pós-doutorado no laboratório do Dr. Matthew Meyerson no Dana Farber Cancer Institute. Após a conclusão do treinamento clínico, ele assumiu um cargo de professor na University of North Carolina, Chapel Hill School of Medicine, onde atendeu pacientes com tumores aerodigestivos. Na UNC, Hayes foi professor na Divisão de Hematologia/Oncologia e no Departamento de Otorrinolaringologia/Cirurgia de Câncer de Cabeça e Pescoço e Diretor de Bioinformática Clínica. Ele foi o investigador principal do projeto The Cancer Genome Atlas, focado na caracterização do espectro de cânceres humanos. Tem se dedicado ao estudo translacional da genômica do câncer. Durante seu mandato na UNC, ele se tornou uma pessoa-chave para inúmeras bolsas em seu campo de estudo e tem mais de 150 publicações revisadas por pares com mais de 80.000 citações em 2021. Desde 2017, é o Diretor do Centro de Ciências da Saúde da Universidade do Tennessee para Pesquisa do Câncer e também atua como chefe de Hematologia/Oncologia no Departamento de Medicina.