1949年，加入中国共产党。
1952年，考入清华大学航空系（后因院系调整被并入北京航空航天大学）。
1961年，毕业于莫斯科航空学院导弹设计专业。
1961年，回国投身中国第一种自行设计的火箭设计和研制工作，历任洲际火箭副总设计师、长征二号捆绑式运载火箭倡导者之一和研制总指挥。
1978年，在第一设计部成立以航天飞机为主要对象的跟踪研究小组。
1978年 - 1980年，担任七机部第一研究院总体设计部副主任、主任。
1980年 - 1991年，担任七机部第一研究院副院长、院长。
1987年，作为“863”航天领域专家委员会成员，参与制定中国载人航天发展蓝图。
1991年，调任航空航天部科学技术委员会副主任、运载火箭系列总设计师、地地导弹系列总设计师和中国载人航天工程总设计师。
1992年01月，被任命为载人航天工程技术、经济可行性论证组组长，主持拟制该工程七大系统的技术途径和主要技术方案。
1992年 - 2007年，担任中国载人航天工程总设计师。
1994年，调往原国防科学技术工业委员会（现解放军总装备部）继续担任载人航天工程总设计师。
2004年 - 2018年06月，担任清华大学航天航空学院院长。
2018年06月，担任清华大学航天航空学院荣誉院长。
1992年，当选国际宇航科学院院士、俄罗斯宇航科学院外籍院士。
1994年05月，当选中国工程院首批院士。
2003年，获“国家最高科学技术奖”。
2005年，被授予“载人航天功勋科学家”荣誉称号。
2010年05月04日，国际小行星中心用其姓名为国际永久编号第46669号小行星命名。
2019年09月，被授予“最美奋斗者”称号。
2021年06月28日，被授予“全国优秀共产党员”称号。
1978年，获“全国科学大会奖”。
1985年，获“国家科学技术进步奖特等奖”。
1997年，获“国家科学技术进步奖一等奖”。
1999年，获“解放军专业技术重大贡献奖”。
