1902年（清光绪二十八年）5月28日，童第周出生于浙江省鄞县东乡童家岙（今宁波市鄞州区塘溪镇童村）一个农民家庭。幼年丧父，家境清贫，靠兄辈抚养。
1918年（中华民国七年），入浙江省立第四师范学校，学习勤奋，成绩优良，后考入宁波效实中学三年级为插班生。
1922年（中华民国十一年），童第周毕业于宁波效实中学，本来宁波效实中学毕业生可直接升入上海圣约翰大学。可是毕业那一年，在老家的大哥病了，童第周只好放弃上大学，回老家去管家。
1923年（中华民国十二年），先考北京大学和南京的东南大学，都没有考上，后来就在上海复旦大学做特别旁听生，后考入复旦大学哲学系。
1927年（中华民国十六年），毕业于复旦大学哲学系心理学专业，后童第周二哥介绍其到浙江省桐庐县，任泽区建设科科长；同年，由中央大学生物系主任蔡堡推荐，到南京中央大学（今南京大学）生物系任助教。
1930年（中华民国十九年），童第周乘火车从满洲里经前苏联到比利时比京大学（今布鲁塞尔大学）留学。在比利时首都布鲁塞尔大学，童第周的留学生活十分清苦，瘦小的他沉默地在生物学的天地里拼搏进击着。那段时间，他的导师达克教授正在做青蛙卵子试验，需要把卵子外面的一层薄膜剥掉。在显微镜下，达克教授和助手们怎么也去不掉那层膜。童第周到显微镜下拿针把卵膜刺一下，卵瘪下去了，一下就剥开了。达克教授对这个学生所表现出的生物学天份感到欣喜万分。
1931年（中华民国二十年）夏天，童第周的导师带着他来到著名的科研中心法国海滨实验室，这次，要为直径不到十分之一毫米的海鞘卵子做外膜剥离，童第周再次顺利完成，让云集此地的国际同行十分钦佩；同年“九·一八事变”后，日本侵略军开始对中国东北大举进攻，那时童第周出于热爱祖国和自觉抗日的热情，发动中国留学生，组成中国学生总会，并被推举为负责人。童第周带头到日本驻布鲁塞尔使馆进行抗议，受到比利时警方的威胁，最终被以扰乱社会治安为由判处两个星期的徒刑，缓期执行。
1934年（中华民国二十三年），获布鲁斯尔大学哲学博士学位，后到英国剑桥大学作短期访问，年底，不顾日本侵略军即将发动大规模侵华战争的危险，毅然放弃国外可以安心工作和生活的条件，回到中国，任国立山东大学生物系教授。
1937年（中华民国二十六年），抗日战争爆发，他随国立山东大学内迁到四川万县。
1938年（中华民国二十七年），辗转到重庆，先后任中央大学医学院教授、同济大学生物系教授和复旦大学生物系教授。
1946年（中华民国三十五年），国立山东大学在青岛复校，他任动物学系教授、系主任，他的夫人叶毓芬在同系任教。
1947年（中华民国三十六年）6月，国立山大学生不满国民党反动统治的倒行逆施，掀起“反饥饿、反内战”的示威游行和签名运动，童第周第一个在抗议书上签了名。
1948年（中华民国三十七年），当选中央研究院院士；同年，应美国洛氏基金会邀请到美国耶鲁大学任客座研究员，于1949年3月回到国立山东大学。
1949年3月，中国即将解放前夕，童第周拒绝了耶鲁大学的高薪挽留，克服了种种阻力，在迎接新中国成立的隆隆炮声中，再次回到了国立山东大学；同年6月2日，青岛解放，童第周应“中华全国科学工作者联合会筹备会”的邀请到北京参加筹委会会议，利用这个机会，他找到中国科学院筹建组领导竺可桢教授，迫切地向他提出了建设中国海洋研究机构的设想。
1950年，他授聘兼任中国科学院实验生物研究所副所长和中国科学院水生生物研究所青岛海洋生物研究室主任，开始筹建新中国第一个海洋科学研究机构——中国科学院水生生物研究所青岛海洋生物研究室（中国科学院海洋研究所的前身）。
1964年，童第周等在莱阳路28号合影留念
1964年，童第周等在莱阳路28号合影留念
1951年，任山东大学副校长。
1952年8月30日，加入中国民主同盟。
1955年，当选为中国科学院学部委员（现称院士）并任生物地学部副主任。
1956年，童第周等海洋科学家参与制定的“中国海洋综合调查及开发方案”作为国家重点科学技术任务之一，被列入《1956～1967年国家科学技术发展远景规划》和《1963～1972年国家科技十年规划》。
1957年，任中国科学院海洋生物研究所所长，1959年该所扩建为中国科学院海洋研究所，他仍任所长。
1960年，中国科学院生物地学部分为生物学部和地学部，他任生物学部主任兼任中国科学院动物研究所研究员。
1977年，出任中国科学院动物研究所细胞遗传学研究室主任、副所长、所长。
1978年，任中国科学院副院长；同年，在全国科学大会上，被授予全国科学技术先进工作者称号。
1979年3月6日，在杭州浙江科学大会上为浙江省2000多名科技、教育和卫生领域的科研人员做报告时，过度劳累的童第周心脏病发作，晕倒在讲台上；同年3月30日，于北京病逝。
1978年，在全国科学大会上，童第周被授予全国科学技术先进工作者称号。
