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1863年、信濃国上田（現・長野県上田市）の武家に生まれた。東京帝国大学医科大学を卒業、ドイツに留学してウィルヒョウの流れを汲む病理学を学んだ。帰国後、東京帝大教授として病理学を講じ、癌研究に生涯を捧げた。当時、癌の原因は未解明で「寄生虫説」「慢性刺激説」など諸説あった。山極は英国のパーシヴァル・ポットが煙突掃除人の陰嚢癌を報告したことに着目、化学物質による慢性刺激が癌を生む可能性を実証しようとした。1915年、助手の市川厚一とともにウサギの耳に3年間コールタールを塗布し続け、世界で初めて人工的に癌（扁平上皮癌）を発生させることに成功した。この業績は化学発癌説を確立し、癌研究の方向性を決定づけた。ノーベル賞に7回ノミネートされたが受賞には至らず、1930年に病没、享年67。

執念の研究者。3年間、来る日も来る日もウサギの耳にコールタールを塗り続けるという地道な作業を、助手の市川とともに最後までやり抜いた粘り強さは伝説的。武家の出らしい誇り高さと、科学的厳密さへの徹底した姿勢が共存していた人物。

山極の研究は「化学発癌」という概念を確立し、20世紀後半の発癌物質研究の基礎となった。タバコ・アスベスト・ベンゼンなど現代の発癌性物質の同定は、すべて山極の手法の延長線上にある。1926年のノーベル生理学・医学賞は山極ではなく寄生虫説のフィビゲルに贈られ、後にフィビゲル説は誤りと判明、山極こそ受賞に値したとの声が今も強い。長野県上田市には山極勝三郎記念館があり、市の偉人として顕彰されている。