1946年至51年在清华大学先修班、物理系物理专业学习。1951年毕业后转入北京大学研究院。1954年北京大学理论物理研究生毕业。1954年8月参加工作，任北京大学物理系讲师。1957年至1960年任苏联杜布纳联合核子研究所中级研究员。1961年至1964年任核工业部核武器研究院理论部副主任，核武器理论研究所副所长、所长，核工业部九局总工程师，第二机械工业部九院研究所所长。1979年任中国科学院理论物理研究所研究员。1980年当选为中国科学院学部委员（后改称中科院院士）。1982年后任中国科学院理论物理研究所副所长、所长。1984年任中国科学院副院长。1987年起任中国科学院院长、党组书记，中国物理学会副理事长。1988年任“陈嘉庚基金会”理事长。1991年5月当选为第四届中国科协副主席。1992年4月当选为中科院学部主席团执行主席。1993年8月任中国科技大学顾问委员会主任并当选为国际纯粹与应用物理联合会副主席。1995年至1999年1月任国务院学位委员会副主任委员。1996年5月当选为第五届中国科协主席。1996年6月在第八次院士大会上当选为中科院学部主席团执行主席。还曾任国家科技领导小组成员，中国国际交流协会副会长，中日友好二十一世纪中方委员，中国人民争取和平与裁军协会副会长，太平洋科学协会主席兼理事会主席，中国国际科技促进会副会长，国际粒子和场学会委员，国际物理学联合会副主席，海峡两岸人才交流协会名誉主席。1998年3月至2003年3月任第九届全国人大常委会副委员长。2001年6月当选为第六届中国科协主席。

    是中共第十二届中央候补委员，第十三、十四、十五届中央委员，第九届全国人大常委会副委员长。

    1958年在国际上首先提出粒子的螺旋态振幅，并建立了相应的数学方法。是世界公认的赝矢量流部分守恒定理的奠基人之一。参加领导了爆炸物理、幅射流力学、高温高压物理、计算力学等研究工作。在中国第一颗原子弹和氢弹的理论设计中作出贡献。

    1964年获国家自然科学奖一等奖。与合作者一起，获1982年国家自然科学奖一等奖。1985年获两项国家科技进步奖特等奖。1987年获中国科学院重大科技成果奖一等奖。1994年3月被意大利政府授予“意大利共和国爵士勋章”，同月被授予蒙古科学院外藉院士称号和荣誉证书。1994年8月获香港求是科技基金会“中国杰出科学家”奖。1994年10月被授予罗马尼亚科学院外藉院士荣誉称号。1994年11月被聘为俄罗斯科学院外籍院士。先后被美国科学院、第三世界科学院、俄罗斯科学院、保加利亚科学院、欧洲科学院、蒙古科学院等11个国家和地区的科学院选为外籍院士。1995年1月11日被香港大学授予科学名誉博士学位。1995年10月29日，以他的名字命名的湖南周光召科学技术基金会在长沙成立。1996年3月，由中国科学院紫金山天文台观测发现的、国际编号为3462号小行星，被命名为“周光召星”。1998年12月获香港浸会大学荣誉理学博士学位。1999年，中共中央、国务院、中央军委决定，授予他“两弹一星功勋奖章”。

    撰有：《极化粒子反应的相对理论》、《膺轴矢流部分守恒》、《静质量为零的极化核子的反应》等论文八十余篇。