Ещё в детстве увлекшись самолето- и ракетостроением, самостоятельно овладел основами дифференциального и интегрального исчисления, ознакомился с работами Германа Оберта и Макса Валье, вёл переписку с К. Э. Циолковским.
Окончил физический факультет Московского государственного университета (1930). В 1930-33 годах учился в аспирантуре (научный руководитель — И. Е. Тамм). В 1934 году защитил кандидатскую диссертацию по квантовой теории твёрдого тела; в 1935 году по результатам защиты был удостоен степени доктора физико-математических наук. Профессор МГУ с 1935 года, с 50-х годов — заведующий кафедрой теории атомного ядра. Был создателем Отделения ядерной физики на физическом факультете МГУ.
С 1947 года — директор научно-исследовательской лаборатории в Обнинске, на базе которой под его руководством создан Физико-энергетический институт. Руководитель Лаборатории «В» Министерства внутренних дел СССР (выполнение постановления «О проектировании и строительстве объекта 627»), позже на её базе создан ИЯИ РАН.
Являлся одним из инициаторов создания Объединенного института ядерных исследований в Дубне. В 1956 году Комитет полномочных представителей одиннадцати стран единогласно избрал его первым директором Института. В 1956—1965 годах — директор ОИЯИ, с 1965 года — директор Лаборатории теоретической физики ОИЯИ. Скончался 27 января 1979 года.
