Родился в Санкт-Петербурге в семье журналиста.

1921-1931 (с перерывом) - в Физико-техническом институте (г. Ленинград). В 1926-1928 годах проходил стажировку в Кавендишской лаборатории (Кэмбридж, Англия) у Э. Резерфорда.

1931-1946 - руководитель лаборатории взрыва в Институте химической физики АН СССР (г. Москва). В 1939-1941 годах вместе с Я.Б. Зельдовичем впервые осуществил расчёт цепной реакции деления урана.

1946-1992 - главный конструктор и научный руководитель КБ-11 (г. Арзамас-16, ныне город Саров Нижегородской области) при Лаборатории № 2 АН СССР. Руководил испытаниями первых советских атомной (29 августа 1949) и водородной (12 августа 1953) бомб. В последующие годы работал над сокращением веса ядерных зарядов, увеличением их мощности и повышением надёжности.

Доктор физико-математических наук (1935). Член-корреспондент АН СССР (04.12.1946). Академик АН СССР (23.10.1953).

Звания Героя Социалистического Труда был удостоен трижды (29 октября 1949 года, 8 декабря 1951 года и 4 января 1954 года).

Лауреат трёх Сталинских премий (1949, 1951, 1953).

Лауреат Ленинской премии (1956).

Депутат Верховного Совета СССР 3-11 созывов (1950-1989) от Горьковской области.

Почётный гражданин города Арзамас-16 (01.10.1979).

Жил и умер в Сарове. Похоронен на Новодевичьем кладбище в Москве.

Награды: ордена Ленина (29.10.1949; 11.09.1956; 07.03.1962; 27.02.1964; 26.02.1974; 24.02.1984); Октябрьской Революции (26.04.1971); Трудового Красного Знамени (10.06.1945); Красной Звезды (24.09.1944).

Память: в городе Сарове Нижегородской области его именем названа улица (1997), а на здании ВНИИЭФ (проспект Мира, 37), где он работал, установлена памятная доска.