Ông sinh ngày 21/7/1938 tại làng Cầu Đơ, nay thuộc thị xã Hà Đông, tỉnh Hà Tây trong một gia đình viên chức nhỏ. Gia đình có 7 người con chỉ trông vào gánh hàng xén của mẹ. Tuổi thơ của ông trôi qua trong những ngày cả gia đình nay đây mai đó vì tản cư, chạy giặc. GS.VS Nguyễn Văn Hiệu từng tâm sự: “Những nỗi buồn vui, những kỷ niệm của thời niên thiều là điều ta thường hồi tưởng khi đã trưởng thành. Mỗi lần trong cuộc đời khoa học của tôi có một sự kiện gì đặc biệt, bao giờ tôi cũng nhớ lại hai lần tôi phải bỏ học khi mới hơn mười tuổi vì nhà quá nghèo! Thời niên thiếu, tôi đã sớm nếm trải nhiều nỗi lo toan, nhiều điều bất hạnh. Nhưng tôi không oán trách số phận đã dành cho mình những điều không may mắn ấy. Bởi vì chính nó đã giúp tôi sớm hiểu được thế nào là sức mạnh của ý chí sắt đá và nghị lực kiên cường... Thật hiếm thấy những nhà bác học nào mà cuộc đời quá ư êm xuôi, suôn sẻ! Tôi chỉ muốn nhắn nhủ các bạn trẻ: Nếu các bạn gặp khó khăn, trắc trở trên đường đời thì đừng bao giờ vội nản lòng thoái chí...”.

Vào học đại học, trong trí tưởng tượng của tuổi trẻ, ông đã hình dung ra cảnh mình sẽ về dạy Vật lý tại một trường cấp III ở một huyện xa. Ông muốn trở thành một giáo viên Vật lý thật giỏi, giảng bài thật lôi cuốn, làm sao để tất cả các em học sinh thân yêu của ông đều mê môn học này. Thiếu tài liệu tiếng Việt để đọc thêm, ông cố gắng học ngoại ngữ để đọc sách bằng tiếng nước ngoài. Hàng ngày, ông cuốc bộ từ ký túc xá đến lớp mất gần một tiếng đồng hồ vì chặng đường khá xa. Đó là quãng thời gian tốt nhất để ông vừa đi vừa lẩm nhẩm học thuộc từ ngữ, lúc thì tiếng Nga, khi thì tiếng Pháp, tiếng Anh. Thỉnh thoảng, GS. Nguyễn Văn Hiệu vẫn kể lại với bạn bè về những ước mơ khiêm tốn của mình thời sinh viên. Ông đã nghĩ rằng, chưa phải thế hệ ông, mà phải chờ đến các thế hệ học trò của ông, mới xuất hiện những nhà vật lý Việt Nam có tầm cỡ. Ông đã vui lòng làm cái công việc của người gieo hạt để đến mùa sau, các thế hệ đàn em gặt hái. Nhưng một niềm vui bất ngờ đã đến với ông! Với kết quả tốt nghiệp hạng ưu, ông được giữ lại làm trợ giảng tại Trường ĐH Tổng hợp Hà Nội khi trường vừa khai giảng khoá 1 đầu mùa thu năm 1956. 18 tuổi, chàng thanh niên Nguyễn Văn Hiệu bước lên bục giảng đại học. Trước mỗi buổi lên lớp, ông thường chong đèn thâu đêm ngồi học lại thật cặn kẽ, chi li từng phần mình vừa được học vào năm trước, lại còn phải tự học thêm rất nhiều kiến thức cơ sở...

Đầu năm 1958, tại giảng đường Trường ĐH Tổng hợp Hà Nội, GS. Tạ Quang Bửu thuyết trình về phát minh của Lý Chính Đạo (Tsung-Dao Lee) và Dương Chấn Ninh (Chen Ning Yang), 2 nhà bác học người Mỹ gốc Trung Quốc vừa được tặng Giải thưởng Nobel cuối năm 1957 về Sự không bảo toàn tính chẵn lẻ trong tương tác yếu. Thành công của Lý, Dương và Ngô chứng tỏ bộ óc của “dân da vàng” hoàn toàn có thể vươn tới những phát minh hiện đại, đỉnh cao của trí tuệ con người, miễn là họ được làm việc trong môi trường khoa học tiên tiến nhất. Buổi thuyết trình của GS. Tạ Quang Bửu đã đem lại cho giảng viên trẻ Nguyễn Văn Hiệu một niềm hứng thú vô biên mặc dù, vào thời điểm đó, ông chưa thật hiểu nội dung sâu xa của khám phá tinh tế nói trên. Vật lý học quả là ngành khoa học đi sâu nhất vào cấu trúc vật chất, tìm ra nguyên nhân sâu xa của mọi hiện tượng tự nhiên và thiết lập những hệ thức giữa các hiện tượng ấy. Mọi quá trình vật lý đều là hệ quả của những quá trình cơ bản diễn ra bên trong các nguyên tử. Mọi hiện tượng vật lý cụ thể, muôn hình muôn vẻ đều được suy ra từ một số định luật cơ bản trong cấu trúc vi mô của vật chất. Sứ mạng của các nhà Vật lý lý thuyết là khám phá ra những định luật cơ bản ấy. Và, rất có thể, thế hệ các nhà Vật lý thế kỷ XX và XXI trong đó có GS.VS Nguyễn Văn Hiệu là những người may mắn được thu hái bao hoa thơm quả ngọt từ vườn cây do bao thế hệ các nhà Vật lý lớp trước “cày sâu cuốc bẫm” gieo trồng! Nhân loại đang đứng trước ngưỡng cửa bao phát minh kỳ diệu mới...

Tôi đã có một vài lần được ngồi trò chuyện với nhà báo Hàm Châu, người khá thân thiết, hiểu khá sâu và viết khá nhiều về GS.VS Nguyễn Văn Hiệu. Trong rất nhiều câu chuyện được nghe, tôi nhớ có một kỷ niệm mà ông nhà báo lão thành ấy nhắc đi, nhắc lại nhiều lần, đó là: “Năm 1960, anh Hiệu được Uỷ ban Khoa học Nhà nước ta cử sang làm việc tại Viện Liên hiệp Nghiên cứu Hạt nhân Dubna - một thành phố khoa học nhỏ xinh bên dòng Volga xanh biếc, giữa cánh rừng thông thưa sáng và những khóm tử đinh hương nở đầy hoa tím, cách thủ đô Maxcơva hơn một giờ xe lửa... Và phải 41 năm sau đó vào mùa hè năm 2001, tôi mới có dịp may đến thăm Dubna, cùng đi với GS. Nguyễn Văn Hiệu và GS. Trần Thanh Vân. Dạo bước bên bờ sông Volga, ngắm những vườn táo và những khóm tử đinh hương nở hoa, tôi cố hình dung lại thời thanh xuân tràn trề nhựa sống của Nguyễn Văn Hiệu và những nhà vật lý trẻ nước ta cùng độ tuổi với anh như các anh Đào Vọng Đức, Cao Chi, Phạm Duy Hiển, Đoàn Nhượng, các chị Võ Hồng Anh, Nguyễn Thị Hồng... đã từng sống và làm việc tại đây, bên con sông trong vắt này!”.

Thời điểm mà nhà khoa học trẻ Nguyễn Văn Hiệu được cử đến Dubna, vật lý năng lượng cao đang phát triển mạnh theo hai hướng: vật lý neutrino và tương tác mạnh giữa các hạt. Ở Dubna, việc nghiên cứu theo cả hai hướng ấy đều phát triển rất sôi nổi. Viện sĩ M.A.Markov và viện sĩ B.M.Pontecorvo chủ trì hướng nghiên cứu vật lý neutrino. Hướng nghiên cứu về lý thuyết giải tích tương tác mạnh do viện sĩ N.N.Bogolyubov và giáo sư A.A.Logunov chủ trì. Tháng 4/1963, hai năm rưỡi đến Dubna, sau khi đã công bố 12 công trình nghiên cứu về vật lý neutrino, Nguyễn Văn Hiệu đã hoàn thành bản luận án tiến sĩ (lúc đó gọi là phó tiến sĩ) dưới sự hướng dẫn của viện sĩ Markov. Ngay sau khi bảo vệ thành công luận án tiến sĩ về tương tác yếu, không nghỉ một ngày, ông lại tập trung toàn bộ thời gian và tâm trí vào việc nghiên cứu các định lý tiệm cận cùng với giáo sư Logunov. Đây là hướng triển vọng nhất giải quyết những vấn đề cơ bản, chủ chốt và khó khăn nhất của vật lý năng lượng cao. Cho đến tận bây giờ trong tâm trí của GS.VS Nguyễn Văn Hiệu vẫn nhớ như in lời khuyên của GS. Logunov vào một buổi sáng tháng 11/1963 (ngay trước hôm kỷ niệm Cách mạng Tháng Mười): “Các kết quả của anh đã đủ để bảo vệ luận án tiến sĩ khoa học toán - lý. Lúc này các kết quả ấy còn đang nóng hổi, nên bảo vệ luận án ngay, để chậm sẽ kém lý thú”. Nguyễn Văn Hiệu đã ngay lập tức ngồi vào bàn viết bản luận án trong mấy ngày nghỉ lễ. Một tháng sau thì viết xong. Và đầu năm 1964, ông đã bảo vệ xuất sắc luận án tiến sĩ khoa học Hệ thức tiệm cận các biên độ tán xạ trong lý thuyết trường lượng tử định xứ tương đối tính. Khi ấy ông chưa đầy 26 tuổi, cùng năm, ông được đặc cách công nhận chức danh Phó giáo sư và chỉ 4 năm sau, năm 1968, ông được phong học hàm Giáo sư...

Trở về Việt Nam năm 1969, đúng vào thời điểm Chính phủ đang chủ trương thành lập một số viện nghiên cứu khoa học và GS.VS Nguyễn Văn Hiệu đã được Thủ tướng Phạm Văn Đồng trực tiếp giao trọng trách làm Viện trưởng Viện Vật lý. Sau ngày miền Nam hoàn toàn giải phóng, tháng 5/1975, ông được bầu trở thành đại biểu Quốc hội và được tháp tùng đồng chí Lê Duẩn - Bí thư thứ nhất Ban Chấp hành Trung ương Đảng đi thị sát các tỉnh phía Nam. Ngày 4/7/1975, Trung ương Cục miền Nam Việt Nam ra quyết định thành lập Viện Khoa học Kỹ thuật miền Nam trực thuộc Chính phủ cách mạng lâm thời miền Nam Việt Nam và GS. Nguyễn Văn Hiệu lại được cử giữ trách nhiệm Viện trưởng. Tháng 6/1976, sau ngày cả nước đi bầu Quốc hội lần đầu tiên, GS. Nguyễn Văn Hiệu trở ra Bắc để đảm nhận chức vụ Phó viện trưởng Viện Khoa học Việt Nam. Đến năm 1983, ông trở thành Viện trưởng. Từ năm 1993, ông là Giám đốc Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia kiêm Viện trưởng Viện Khoa học Vật liệu. Suốt những năm tháng này, bên cạnh việc tiếp tục nghiên cứu chuyên sâu về vật lý chất rắn, ông còn có đóng góp đặc biệt trong việc tổ chức đưa cây thanh hao hoa vàng vào trồng đại trà ở miền núi phía bắc, tạo nguồn nguyên liệu sản xuất quy mô công nghiệp thuốc chữa bệnh sốt rét, phục vụ cho người dân ở vùng sâu, vùng xa và đồng bào dân tộc thiểu số. Năm 1999, nhận lời mời của GS.VS Nguyễn Văn Đạo - Giám đốc ĐHQGHN, ông đã đảm nhận chức vụ Chủ nhiệm Khoa Công nghệ rồi Hiệu trưởng đầu tiên của Trường ĐH Công nghệ, ĐHQGHN...

“Trái tim tôi thuộc về tương tác yếu” - câu nói ấy dường như tương hợp hoàn toàn với GS.VS Nguyễn Văn Hiệu. Cả cuộc đời mấy mươi mùa xuân gắn bó với sự nghiệp nghiên cứu khoa học, dường như trái tim ông đã dành cả những nhịp đập rộn ràng nhất ở phía chân trời Vật lý. Tiếp chúng tôi tại căn nhà cổ kính cách không xa hồ Hoàn Kiếm, ông đã thổ lộ rất nhiều những trăn trở về vấn đề cải cách tiền lương để nâng cao mức sống cho những người làm công tác giáo dục; vấn đề chất lượng dạy - học hiện nay và đặc biệt là những vấn đề mang tính thời sự của Vật lý học hiện đại. Đến đây, người viết chợt nhớ đến lời của nhà báo Hàm Châu khi kể về GS.VS Nguyễn Văn Hiệu, xin dẫn ra ở đây thay cho lời kết: “Đã bước qua ngưỡng cổ lai hy vậy mà GS. Hiệu vẫn đam mê khoa học như thời còn trai trẻ, vẫn thấu hiểu những nội dung tươi mới nhất trong Vật lý học. Đến thăm tôi tại nhà riêng ở phường Bồ Đề, quận Long Biên vào một ngày cuối đông lạnh cóng năm 2007, trước khi lên đường sang Hàn Quốc, ông sôi nổi nói: Giờ đây không còn vướng bận các chức vụ như Uỷ viên Trung ương Đảng, Viện trưởng, đại biểu Quốc hội, tôi lại say mê lao vào nghiên cứu khoa học! Vật lý đã trở thành một phần máu thịt của cuộc đời tôi...”.

GS.VS Nguyễn Văn Hiệu là người “trẻ” nhất trong số các nhà khoa học Việt Nam được phong tặng Giải thưởng Hồ Chí Minh đợt 1 năm 1996, khi đó ông 58 tuổi. Trước đó 10 năm, ông được tặng Giải thưởng Lênin về khoa học vì đã cùng một số nhà bác học Liên bang Nga khám phá ra quy luật bất biến kích thước các quá trình sinh hạt trong vật lý năng lượng cao. Tài năng của ông nở rộ ngay khi còn trẻ: 18 tuổi đỗ cử nhân Vật lý, làm cán bộ giảng dạy tại Trường ĐH Tổng hợp Hà Nội, 25 tuổi bảo vệ thành công luận án tiến sĩ, 26 tuổi trở thành tiến sĩ khoa học, 30 tuổi được công nhận chức danh giáo sư của Viện Dubna và Đại học Lomonosov ở Liên bang Nga, rồi trở về Việt Nam làm Viện trưởng đầu tiên của Viện Vật lý... Và dịp tháng 12/2008 mới đây, ông lại vinh dự được nhận Huy chương cao quý nhất dành cho nhà khoa học danh tiếng do Viện Hàn lâm khoa học Cộng hòa Pháp trao tặng...