Hoogenraad studeerde biologie aan de UU en promoveerde bij de afdeling Celbiologie en Genetica aan de Erasmus Universiteit Rotterdam. Als postdoctoraal onderzoeker was hij verbonden aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge (USA). Hier onderzocht hij de biologische mechanismen van geheugen en ontving verschillende persoonlijke prijzen, zoals een NWO-TALENT stipend en Human Frontiers Long-Term Fellowship. In 2005 startte Hoogenraad een nieuwe onderzoeksgroep bij het Erasmus Medisch Centrum, op het grensvlak van de celbiologie en neurowetenschappen en ontving hij onder meer een European Young Investigators Award en ZoNMW-VIDI grant voor het zichtbaar maken van de beweging van geheugenmoleculen in hersencellen.

In 2010 verhuisden zijn onderzoeksgroep naar Utrecht en ontving hij een NWO-VICI grant en ERC-Consolidator grant van de European Research Council. Hoogenraad gebruikt geavanceerde microscopische technieken om te achterhalen hoe de ontwikkeling van de hersenen op het niveau van zenuwcellen en moleculen gestuurd wordt. Dit onderzoek kan leiden tot een beter begrip van fundamentele hersenprocessen en een betere preventie en behandeling van hersenziekten. Hoogenraad is lid van de Jonge Akademie van het KNAW en EMBO young investigator.