1924年12月生，湖北武汉人，1956年4月加入中国共产党，1950年4月参加工作，1970年6月入伍，美国密执安大学研究生院物理系原子核物理专业研究生毕业，博士，研究员、教授，中国科学院院士，中国工程院院士。
1941年至1942年在重庆中央大学物理系学习。1942年至1945年在西南联合大学物理系学习。1945年至1946年任西南联合大学物理系助教。1946年至1950年美国密执安大学研究生院物理系原子核物理专业研究生，并获博士学位。1950年至1952年任北京大学物理系副教授。1952年至1953年任朝鲜停战谈判志愿军代表团外文秘书。1953年至1955年任东北人民大学物理系教授。1955年至1957年任北京大学物理系教授、物理研究室副主任。1957年至1959年任二机部四0一所(中国科学院原子能研究所)二室副主任、研究员。1959年至1964年任二机部第九研究所副所长。1964年至1970年任二机部第九研究院副院长。1970年至1982年任国防科委副主任。1982年至1985年任国防科工委科学技术委员会副主任。1985年至1991年任国防科工委科学技术委员会主任、国防科工委党委常委，中国科协副主席。1991年任中国科协主席，国防科工委科学技术委员会主任、国防科工委党委常委。1994年3月补选为第八届全国政协副主席。1994年6月至1998年5月任中国工程院院长，1994年6月当选中国工程院主席团执行主席、院士、党组书记。1995年至1999年1月任国务院学位委员会副主任委员。1995年5月任北京理工大学董事会名誉董事长。1995年10月起任中国国际科学和平促进会会长。1996年5月被推举为中国科协名誉主席。1998年3月至2003年3月任第九届全国政协副主席。
是中共第九届、十届中央候补委员，第十一至十四届中央委员，中共十五大代表；第三至五届全国人大代表，第八届全国政协常委。
是中国原子弹、氢弹科技攻关组织领导者之一。曾参与了中国原子弹和氢弹的试验和研制，后又相继组织实施了核电站筹建(如秦山核电站)、核燃料的生产以及放射性同位素应用等项目的研究开发计划，并参与了“863计划”的制定与实施。还参与了“中国工程院”的筹建工作。
1985年获国家科技进步奖特等奖。1988年获国家科学技术进步奖特等奖。曾获何梁何利基金1996年度科学与技术成就奖。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”。
2004年12月，为表彰朱光亚对我国科技事业特别是原子能科技事业发展做出的杰出贡献，国际小行星中心和国际小行星命名委员会批准将我国国家天文台发现的、国际编号为10388号小行星正式命名为“朱光亚星”。