1949年，加入中國共產黨。
1952年，考入清華大學航空系（后因院系調整被并入北京航空航天大學）。
1961年，畢業于莫斯科航空學院導彈設計專業。
1961年，回國投身中國第一種自行設計的火箭設計和研制工作，歷任洲際火箭副總設計師、長征二號捆綁式運載火箭倡導者之一和研制總指揮。
1978年，在第一設計部成立以航天飛機為主要對象的跟蹤研究小組。
1978年 - 1980年，擔任七機部第一研究院總體設計部副主任、主任。
1980年 - 1991年，擔任七機部第一研究院副院長、院長。
1987年，作為“863”航天領域專家委員會成員，參與制定中國載人航天發展藍圖。
1991年，調任航空航天部科學技術委員會副主任、運載火箭系列總設計師、地地導彈系列總設計師和中國載人航天工程總設計師。
1992年01月，被任命為載人航天工程技術、經濟可行性論證組組長，主持擬制該工程七大系統的技術途徑和主要技術方案。
1992年 - 2007年，擔任中國載人航天工程總設計師。
1994年，調往原國防科學技術工業委員會（現解放軍總裝備部）繼續擔任載人航天工程總設計師。
2004年 - 2018年06月，擔任清華大學航天航空學院院長。
2018年06月，擔任清華大學航天航空學院榮譽院長。
1992年，當選國際宇航科學院院士、俄羅斯宇航科學院外籍院士。
1994年05月，當選中國工程院首批院士。
2003年，獲“國家最高科學技術獎”。
2005年，被授予“載人航天功勛科學家”榮譽稱號。
2010年05月04日，國際小行星中心用其姓名為國際永久編號第46669號小行星命名。
2019年09月，被授予“最美奮斗者”稱號。
2021年06月28日，被授予“全國優秀共產黨員”稱號。
1978年，獲“全國科學大會獎”。
1985年，獲“國家科學技術進步獎特等獎”。
1997年，獲“國家科學技術進步獎一等獎”。
1999年，獲“解放軍專業技術重大貢獻獎”。
