幼年时的朱光亚，跟随父母从宜昌经沙市迁回汉口。1931年后在汉口第一小学、圣保罗中学学习。1938年，抗战爆发后的第二年，刚刚初中毕业的朱光亚和两个哥哥被迫转移到四川。先后就读于合川崇敬中学、江北清华中学、重庆南开中学。1941年重庆南开中学毕业。 在南开中学的一年半，朱光亚受益于数学、物理、化学老师的教育、培养，开始对自然科学有了美好的憧憬；特别是魏荣爵老师（现南京大学教授、中国科学院院士）讲授的物理学，使他产生了浓厚的兴趣。1941 年他考入中央大学（现南京大学）物理系。讲授大学一年级普通物理学的是刚从美国留学回来的赵广增教授（抗战胜利后任北京大学教授、物理系主任）。赵教授深入浅出的讲课和介绍学科前沿的课外辅导，使朱光亚受到物理学科新发展的熏陶。1942年夏天，当时昆明西南联合大学在重庆招收大学二年级插班生。在朱光亚几位南开校友的关心和帮助下，他报名应试，顺利地转学西南联大。从大学二年级起他先后受教于周培源、赵忠尧、王竹溪、叶企荪、饶毓泰、吴有训、朱物华、吴大猷等教授。众多名师的栽培，使朱光亚学业有了较坚实的基础。1945年抗日战争胜利时，他从物理系毕业后留校任助教。
朱光亚，1945年8月，美国在日本的广岛、长崎两地投掷两枚原子弹，加速了日本侵略者的投降，同时也唤起了中国人制造原子弹的梦想。抗战胜利后不久，重庆国民政府邀请数学教授华罗庚、物理学教授吴大猷、化学教授曾昭抡赴重庆商讨发展原子武器事宜。3位教授拟订了计划，遴选优秀青年学者赴美考察。吴大猷挑选了朱光亚、李政道；华罗庚推举了孙本旺，到美国后又推举了徐贤修；曾昭抡推荐了唐敖庆、王瑞酰。 吴大猷先去了英国出席学术会议，后来抵达美国。朱光亚于1946年8月和李政道、唐敖庆等一起，随同华罗庚从上海乘船赴美。吴大猷的夫人阮冠世女士与之同行。到达美国后，华罗庚师徒赴普林斯顿大学与先期到达的曾昭抡会面。曾昭抡告诉他们，美国有关原子弹的各个科研机构均不准许外国人进入。残酷的现实使朱光亚醒悟：美国任何时候也不会帮助中国发展尖端科学技术；国民党政府腐败无能，旧中国不可能搞出原子武器。正是如此，热衷于打内战的蒋介石政府无心资助原子能事业。旧中国科学工作者制造原子弹的梦想，终于成为泡影。
“两年规划”经中央批准后，在中央专委强有力的组织领导下，“两个纲领性文件”立即转化成了核武器研究所与二机部、国家有关部委和省市协同攻关的实际行动。 为了加强对原子弹研制工作的技术指导，核武器研究所设立了产品设计、中子点火、冷试验、场外试验4个技术委员会，朱光亚兼任中子点火委员会副主任，与主任彭桓武一起指导青年科技人员开展中子源的攻关研究。1963年3月，朱光亚参与组织确定了中国第一颗原子弹理论设计方案，报二机部批准后，千军万马即将奔赴青海草原核武器研制基地进行大会战。4月2日，二机部领导和朱光亚等78位科学家受到毛泽东、周恩来、邓小平等党和国家领导人的接见。邓小平总书记对核武器研究所的代表说：“你们的计划，毛主席、党中央已经批准。路线、方针、政策已经确定，现在就是你们去执行。你们大胆地去干，干好了是你们的，干错了是我们书记处的。”给核武器研究人员以极大的鼓励和鞭策。朱光亚与李觉、吴际霖等组织在北京的科研、生产人员以及经中央专委批准增调的技术骨干迅速汇集到西北基地，全面开展理论、试验、设计、生产等各方面工作，形成了研制中国第一颗原子弹的总攻局面。朱光亚与陈毅在视察原子弹基地1963年5月，按照张爱萍、钱三强的要求，朱光亚主持起草了《第一期试验大纲草案》（即原子弹装置核爆炸试验大纲），指出核爆炸试验的任务是由低到高逐步过技术关。建议先做地面爆炸试验，再做空投爆炸试验，并详细提出了试验测试的主要项目、技术保障、测试场地总布局、试验规模等内容。8月，朱光亚与刘杰等领导参加了青海研制基地冷试验专题研讨会，为综合验证理论设计和一系列单项试验成果，决定尽快实施关键性的全球聚合爆轰试验。计划制订后，朱光亚几乎每天都要了解各方面工作的进展情况，并具体指挥。在他和李觉、吴际霖、王淦昌、陈能宽、邓稼先、周光召等的组织领导下，经过几个月的紧张努力，解决了大量理论、技术和生产问题，于11月20日成功进行了缩比尺寸全球聚合爆轰试验。朱光亚亲自撰写试验总结，认为这项试验完成后，原子弹研制的关键技术只剩下等待足够的核材料和临界实验了。1964年2月，二机部决定在核武器研究所基础上成立核武器研究院，李觉任院长，吴际霖、郭英会、王淦昌、彭桓武、郭永怀、朱光亚、程开甲等9人任副院长。朱光亚仍然协助李觉、吴际霖统管科技工作。3月朱光亚组织制订研究院《1964年科研工作计划纲要》，详细布置了原子弹研制和试验工作计划。1964年4月11日，中央专委会第八次会议决定首次核爆炸试验采用塔爆方式，并要求于9月10日前做好准备，做到“保响、保测、保安全，一次成功”。4月18日至5月4日，朱光亚与李觉、吴际霖等一起从青海研制基地赴新疆罗布泊核试验场实地勘察空运、陆运和试验现场保障条件的各个工作细节，提出了周密的技术措施。在各项工作进展顺利的基础上，6月6日，朱光亚在青海基地与其他同志一起组织进行了全尺寸全球聚合爆轰试验，这是原子弹装置核爆炸前的一次综合预演。试验取得完全成功，预示着原子弹装置核爆炸已经成功在望。在现场视察指导工作的张爱萍副总参谋长即兴赋诗一首：“贺我国第一颗原子弹冷试验成功——赠朱光亚和九院全体同志：祁连雪峰耸入云，草原儿女多奇能。炼丹修道沥肝胆，应时而出惊世闻。” 6月12日，朱光亚组织起草完成了《596装置国家试验大纲》，对核装置运输、总装与质量检验、引控系统调试、测试项目等各个环节提出了要求，第一次核爆炸试验开始全面转入现场实施阶段。7月，核武器研究院组成了以李觉、朱光亚为首的第九作业队，并由吴际霖、王淦昌、彭桓武、郭永怀、陈能宽、邓稼先等专家组成技术领导核心，负责处理现场出现的问题。8月20日，首次核试验用的试验装置以及备品备件全部加工、装配、验收完毕，陆续运往试验场。8月23日，在核试验基地成立了由张爱萍等30余人组成的中共首次试验委员会，朱光亚等13人任常委。下设12个部，他兼任试验部副部长和第九作业队副队长。9月，中央专委会提出两种方案，一是早试，二是择机待试。毛泽东指示：原子弹是吓唬人的，既然是吓唬人的，就早试。10月8日成立国家首次核试验委员会，张爱萍任主任委员，朱光亚等9人任副主任委员。朱光亚等在现场亲自指导技术人员严格按规程进行原子弹装置装配与检验。14日晚，经张爱萍、刘西尧、张震寰、张蕴钰、李觉、朱光亚等签字后，我国第一颗原子弹装置被吊上铁塔…… 1964年10月16日下午3时，威力为2.3万吨梯恩梯当量的我国第一颗原子弹爆炸成功！结果表明：我国第一颗原子弹从理论、结构、设计、制造到引爆控制系统、测试技术等均达到相当高的水平。 平时颇有酒量的朱光亚开怀畅饮，加之连日劳累，他生平第一次也是唯一的一次喝醉了。
中国第一颗原子弹爆炸成功后，核装置与运载工具结合、形成有实战威力的核武器的任务，摆上了重要的位置。美国人说中国在5年内解决不了运载的问题，西方记者也说中国人“有弹无枪”。其实，核武器研究所早在研制我国第一颗原子弹试验装置时，就已经充分考虑到机载核航弹的问题。朱光亚主持制定的核武器研究所1960年科学研究计划中，安排了航弹气动外形、弹体结构和引爆控制系统的研究和设计项目。1962年，朱光亚参与起草的“两年规划”和由他主持制定的“两个纲领性文件”中，也对核航弹作出了安排。朱光亚与郭永怀、龙文光等一起组织科技人员与航空部、电子部、国防部五院（航天部）等部门协作，开展核航弹的研制工作。
到我国第一颗原子弹装置爆炸成功时，航弹气动外形、结构和总体布局以及引爆控制系统设计都已确定，运载航弹的飞机也已改装完成。随后，他们又在我国首次核试验的基础上，对核装置的理论模型和结构做了设计改进，最终完成了我国首颗核航弹的研制。1965年5月14日，在罗布泊成功进行了核航弹空投爆炸试验。这标志着中国开始有了可用于实战的核武器。为了表彰和鼓励从事核武器研制和试验的人员，5月30日，周恩来、邓小平、陈毅、贺龙、聂荣臻等党和国家领导人在人民大会堂接见并宴请参加首次原子弹爆炸和核航弹空爆试验研制人员和有关部门代表，朱光亚作为科学家和部门代表之一受到了亲切接见。原子弹与导弹结合（“两弹”结合）而成的核导弹，是比核航弹更为先进的核武器。核弹头与核航弹相比，在体积和重量上要大幅度地减小，所要经受的飞行环境条件则更加复杂和苛刻，研制工作难度更大。早在第一颗原子弹研制的攻关时期，朱光亚与核武器研究所其他领导就根据上级指示精神，部署了原子弹配导弹的前期探索研究工作。1963年开始进行核弹头核装置理论研究和引爆控制系统预研。1964年春，根据中央专委关于今后工作的指示精神，朱光亚与李觉、吴际霖等组织制定了核弹头研制工作计划，并根据聂荣臻副总理的指示，提出了导弹核弹头协作任务的主要设计、试验项目及工艺、定型等进度计划。1964 年4月完成核装置理论设计方案后，迅速转入了工程设计阶段，开展了起爆元件和大型爆轰试验，并进行了核装置结构设计和工艺试验。同时，引爆控制系统的研制也很快取得了成果。1965 年6月，朱光亚与其他同志一起，根据研制工作进展情况，组织讨论修订了研制工作计划。经过一系列地面环境试验后，为鉴定核弹头在实际飞行环境下的性能，中央批准进行导弹核武器飞行核爆炸试验（两弹结合试验）。周恩来总理对此极为重视和关怀，多次强调：“在本土进行导弹核武器发射试验在世界上是个创举。我们要以对国家、对人民负责的精神，确保质量，确保绝对安全。”为了贯彻总理的指示精神，朱光亚等组织领导了一系列安全模拟试验和分析论证，在正式试验之前，又与七机部合作进行了一发安全自毁系统飞行试验和两发引爆控制系统飞行试验，努力保证做到“万无一失”。1966年10月27日9时，在聂荣臻副总理亲自指挥下，进行了我国第一次导弹核武器发射爆炸试验。试验取得圆满成功，标志着中国有了可用于实战的核导弹。从我国第一颗原子弹爆炸到核航弹、导弹核武器的成功，我国仅用了两年时间就顺利完成原子弹研制的“三级跳”计划，快速实现了原子弹的武器化。有人评论说，朱光亚等科学家是把物理成果转化成工程成果、把科学技术转变成战斗力的大师。
1964年5月和1965年1月，毛泽东两次谈到核武器，指示“原子弹要有，氢弹也要快！”导弹核武器发射成功后，周恩来总理传达毛主席指示：“要连续作战，再接再厉，一鼓作气，拿下氢弹。”1963年9月完成首颗原子弹理论设计后，邓稼先、周光召等领导的理论部就在朱光亚、彭桓武安排下开始组织力量进行氢弹理论的探索。第一颗原子弹爆炸成功后，核武器研究院再次调整机构和人员，全面展开氢弹理论研究。由于刘杰、钱三强早在1960年就已安排原子能所组织力量对氢弹有关问题进行预先研究，1965年元月，二机部决定将黄祖洽、于敏带领的这部分力量从原子能所调到核武器研究院。2月，二机部上报由朱光亚起草的《关于加快核武器发展问题的报告》。在朱光亚和彭桓武的指导下，组织制定了加速突破氢弹技术的科研工作大纲，并把目标设定为先进的能配导弹的热核弹头。朱光亚鼓励科研人员破除论资排辈思想，发扬学术民主，大胆设想，提出各种新的概念和设计思想。经过充分讨论、研究、补充完善，最后综合归纳出两种攻关途径。又经过几个月夜以继日的忘我工作，基本明确了攻关的技术路线。在此基础上，1965年8月，朱光亚组织起草了《关于突破氢弹技术关键问题上的工作安排》，对必须重点解决的理论方案和热核材料制备两个关键问题，尤其是氢弹原理的突破，作了统筹安排部署。在他的支持下，彭桓武、邓稼先领导理论部组织力量对氢弹原理进行“多路探索”。1965年底，于敏带领的部分科技人员探索到一种新的制造氢弹的理论方案，朱光亚多次与彭桓武、邓稼先等组织专家反复论证，逐步完善了这个方案。同年12月，他参与组织了核武器研究院两年科研与生产规划会议，提出突破氢弹原理按两手准备，以新理论方案为主，组织全院理论、实验、设计、生产等各方面力量集中攻关。在此基础上，他代二机部起草了上报中央专委的《关于核武器科研生产两年规划的请示》，并列席由周总理主持的中央专委会议，汇报有关技术关键问题。在抓理论设计的同时，他还亲自部署并指导了热核材料的研制工作。经过各部门的大力协同和艰苦努力，1966年12月28日，氢弹原理试验成功，这是中国掌握氢弹技术的重要标志。新原理简便、先进、可行。朱光亚马上组织有关人员分析这次试验的数据，全面展开第一颗全当量氢弹试验的准备工作。 1967年初，氢弹正式试验的理论方案完成后，氢弹装置结构设计、制造等工作紧锣密鼓地开展起来。这时正是“文化大革命”混乱时期，许多科学家、技术人员靠边站，这令朱光亚既困惑又有苦难言，科研管理如履薄冰。经过夜以继日的苦斗，1967年6月5日，氢弹装置终于加工完毕，8日运抵试验基地，17日，我国第一颗氢弹空投爆炸成功。从第一颗原子弹爆炸成功到第一颗氢弹爆炸成功，中国只用了2年零8个月，先于法国1年时间成为世界上第四个拥有氢弹的国家，发展速度是核大国中最快的。
早在1963年，正当中国研制第一颗原子弹的关键时刻，美、苏、英三国签订了《关于禁止在大气层外层空间和水下进行核试验的条约》。美国人露骨地说：“我们能够合作来阻止中国获得核能力。”遵照周总理的指示，在二机部刘杰部长等同志的领导下，朱光亚组织调研分析，亲自起草了《停止核试验是一个大骗局》的报告。报告系统分析了世界几个核大国核武器研发与核试验方面的做法和发展过程，指出，他们核试验的停与否，最主要的是根据其核武器发展的需要来决定的。美、苏已进行了大量的核试验，取得了大量数据，他们目前停止部分核试验对其核武器发展并无重大影响，可以通过地下核试验继续发展核武器，而中国则即将在大气层进行核试验。因此，美、苏、英签订部分禁试条约的目的，就是妄图把中国核武器事业扼杀在摇篮里。报告建议，我们不但不能禁试，而且要抓紧时机，尽快研制成功我国的核武器，同时，报告还指出，我们也应该尽快掌握地下核试验技术，因为地下核试验有利于保密和减少放射性污染，还可以取得地面试验难以得到的许多测试数据和资料。 根据朱光亚等人的建议，1963年9月中央专委会决定，在抓第一颗原子弹的同时，把地下核试验作为设计项目。但是，由于忙于原子弹的武器化及氢弹技术攻关，地下核试验准备工作拖延了一段时间。1967年10月底至11月中旬，在国防科委领导下，朱光亚、王淦昌、程开甲、邓稼先等讨论了首次地下核试验的目的、试验项目、工程要求等，地下核试验准备工作全面展开。核武器研究院与核试验基地密切配合，经过近两年的艰苦工作，攻克了大量技术难关。1969年8月10日，周总理主持地下核试验准备情况汇报会，朱光亚副院长代表核武器研究院汇报了试验目的、试验装置准备及加工情况。中央专委和周总理要求9月15日前准备完毕。9月19日，中央专委批准朱光亚等7人组成首次地下核试验领导小组。9月23日，朱光亚、王淦昌、程开甲、彭桓武等在现场指挥试验，取得了圆满成功。这是我国首次进行地下平洞核试验。1970年6月，朱光亚调任国防科委副主任，仍然负责指导核武器与核试验的研究和发展工作。为了尽快使地下核试验技术过关，在动荡艰难的“文化大革命”岁月里，朱光亚与有关同志一起，兢兢业业，想方设法排除干扰，认真落实周总理和中央专委的指示精神，经常组织技术人员研究方案，解决关键问题。1975年10月和1976年10月，朱光亚参与组织领导了我国第二次、第三次地下平洞核试验，1978年10月，又成功组织首次地下竖井核试验。随着我国地下核试验技术日趋成熟，1986年3月中国政府庄严宣布：“我国已多年未进行大气层核试验，今后也将不再在大气层进行核试验。”
朱光亚调任国防科委副主任以后的30多年岁月里，他的工作面越来越宽。在国防科技领域，除继续指导核武器和核试验技术研究发展工作外，他还指导了潜艇核动力、核材料技术的研究发展，指导了国防科技与武器装备发展战略研究、武器装备预先研究、国防关键技术报告制定、国家安全重大基础研究等重大工作，提出了许多战略性、前瞻性和创新性的重要思想和建议，为迎接世界新军事变革的挑战，实现我国国防科技和武器装备的跨越式发展作出了重大贡献。与此同时，按照组织上的安排，他还积极参与了国防高科技向民用转移、为国家经济建设服务，以及“军民结合”发展我国高技术等方面的组织领导工作，特别是在我国核电技术发展、放射性同位素应用开发和“863”计划制定与实施方面发挥了重要作用。核电技术是在军用核科技的基础上起步的。随着原子弹、氢弹技术的突破，在军事应用的牵引下，我国迅速建起了比较完整的核科技工业体系，为进一步开发利用核技术、为经济建设和社会发展服务打下了良好的基础。1970年2月、7月、11 月，周恩来总理先后3次提出要搞核电建设，并提出二机部不是“爆炸部”，除了爆炸原子弹、氢弹外，还要为国家经济发展作出贡献。1971年，刚刚担任国防科委副主任的朱光亚受命参与组织领导我国第一座核电站的筹建工作。他与二机部领导同志一起提名推荐专家参加核电站的研究、设计，在“文化大革命”艰难岁月里迅速组建起一支具有较高水平和较强科研能力的技术专家队伍，着手核电站的探索研究和调查论证。选择堆型是建设核电站需要慎重决策的关键环节。当初，对我国第一座核电站选择哪种堆型，各方面意见分歧很大。在朱光亚的支持下，项目组经过与许多专家共同商讨、论证，逐渐达成了共识，提出了放弃熔盐堆改用压水堆的意见，并很快完成了30万千瓦压水堆核电站设计方案。1974年3月，周恩来总理抱病主持召开中央专委会议，听取核电站设计方案汇报。会上，朱光亚有力地说明了这个方案的可行性，对其给予了明确的支持。会议批准了这个方案，并决定列入国家专项工程，定名为“七二八”工程。后来的实践证明，压水堆的选择是完全正确的，符合我国实际和世界核电站发展的主流。朱光亚指导了核电站研究、设计任务的分解，以及研究试验和技术攻关项目的开展，特别是对核燃料组件的设计、试验、研制等给予了极大的关心和指导，使核燃料组件得以完全立足于国内研制成功。尽管科研工作取得了许多进展，但由于受“文化大革命”的影响，在周恩来总理病重和逝世后的几年里，核电站建设迟迟不能进入工程实施阶段。直到邓小平同志再次复出后，核电站建设才重新提上重要日程。朱光亚亲自参与领导了核电站的踏勘选址，亲赴浙江、江苏、上海多个选点考察，最终于1982年选定了浙江省海盐县的秦山厂址。1984年2月，朱光亚代表国家计委、国家经委和国防科工委主持了秦山核电站扩大初步设计的审批会议，审查批准了扩大初步设计，并对即将开展的工程建设中将要面临的重大关键问题和工程进度等作出了决策。1985年3月，秦山核电站正式开工，设备研制同步进行。1991年12月15 日核电站首次并网发电成功，实现了我国核电技术的重大突破。这些成就的取得，无不凝聚着朱光亚的心血和智慧。