于敏，1926年8月16日生于河北省宁河县芦台镇（今属天津市）。父亲是当时天津市的一位小职员，母亲出生于普通百姓家庭。于敏7岁时开始在芦台镇上小学，中学先后就读于天津木斋中学和耀华中学。
1944年于敏考上了北京大学工学院，1946年，他转入了理学院去念物理，并将自己的专业方向定为理论物理。1949年于敏本科毕业，考取了研究生，并在北京大学兼任助教。在张宗遂、胡宁教授的指导下，1951年于敏以优异的成绩毕业。毕业后，他被钱三强、彭桓武调到中科院近代物理研究所任助理研究员、副研究员。这个所1950年才成立，由钱三强任所长，王淦昌和彭桓武任副所长。
1960年底，在钱三强的组织下，以于敏等为主的一群年轻科学工作者，悄悄地开始了氢弹技术的理论探索。这次从基础研究转向氢弹研究工作，对于敏个人而言，是很大的损失。于敏生性喜欢做基础研究，当时已经很有成绩，而核武器研究不仅任务重，集体性强，而且意味着他必须放弃光明的学术前途，隐姓埋名，长年奔波。从此，至1988年，于敏的名字和身份是严格保密的。
于敏没有出过国，在研制核武器的权威物理学家中，他几乎是惟一一个未曾留过学的人。于敏几乎从一张白纸开始，依靠自己的勤奋，举一反三进行理论探索。从原子弹到氢弹，按照突破原理试验的时间比较，美国人用了七年零三个月，英国四年零三个月，法国八年零六个月，前苏联四年零三个月。主要一个原因就在于计算的繁复。而当时中国的设备更无法可比，当时仅有一台每秒万次的电子管计算机，并且95%的时间分配给有关原子弹的计算，只剩下5%的时间留给于敏负责的氢弹设计。于敏记忆力惊人，他领导下的工作组人手一把计算尺，废寝忘食地计算。四年中，于敏、黄祖洽等科技人员提出研究成果报告69篇，对氢弹的许多基本现象和规律有了深刻的认识。
1965年，于敏调入二机部第九研究院（中国工程物理研究院前身）。9月，于敏带领一支小分队赶往上海华东计算机研究所，抓紧计算了一批模型。但这种模型重量大、威力比低、聚变比低，不符合要求。于敏总结经验，带领科技人员又计算了一批模型，发现了热核材料自持燃烧的关键，解决了氢弹原理方案的重要课题。10月下旬，于敏开始从事核武器理论研究，在氢弹原理研究中提出了从原理到构形基本完整的设想，解决了热核武器大量关键性的理论问题。于敏向在上海出差的全体同志作了系列的“氢弹原理设想”的学术报告，引起了大家的很大兴趣，普遍认为通过这个阶段的工作，研究者们抓紧时间试算了两个模型，得到很好的结果。
之后，于敏在二机部第九研究院历任理论部副主任、理论研究所副所长、所长、研究院副院长、院科技委副主任、院高级科学顾问等职。
于敏意识到惯性约束聚变在国防上和能源上的重要意义。为引起大家的注意，他在一定范围内作了“激光聚变热物理研究现状”的报告，并立即组织指导了中国核理论研究的开展。1986年初，邓稼先和于敏对世界核武器科学技术发展趋势作了深刻分析，向中央提出了加速核试验的建议。事实证明，这项建议对中国核武器发展起了重要作用。1988年，于敏与王淦昌、王大珩院士一起上书邓小平等中央领导，建议加速发展惯性约束聚变研究，并将它列入中国高技术发展计划，使中国的惯性聚变研究进入了新的阶段。
之后，于敏由于身体的原因逐渐退出研究领域，卸任中国工程物理研究院副院长，转而以“顾问”的身份继续为中国的核物理事业提供宝贵的咨询和建议。
2015年2月11日下午中共中央政治局常委、中央书记处书记刘云山代表习近平总书记和党中央，登门看望国家最高科技奖获得者于敏向他致以诚挚问候，向科技工作者致以新春祝福。于敏衷心感谢习近平总书记和党中央的关心关怀，高度评价党和国家推动科技创新的决策部署，表示要继续发挥好作用，为建设创新型国家再作贡献。
2018年12月18日，在改革开放40周年的庆祝大会上，被授予“改革先锋”称号。
2019年1月16日，在北京去世，享年93岁。
2019年1月22日上午10时，于敏同志追悼会在北京八宝山革命公墓举行。
在氢弹原理突破中解决了热核武器物理中一系列基础问题，提出了从原理到构形基本完整的设想，起了关键作用。后长期领导并参加核武器的理论研究、设计解决了大量关键性的理论问题。从20世纪70年代起，在倡导、推动若干高科技项目研究中，发挥了重要作用。
于敏把原子核理论分为三个层次，即实验现象和规律、唯象理论和理论基础。在平均场独立粒子方面做出了令人瞩目的成绩。
1982年，获国家自然科学奖一等奖；
1985年、1987年和1989年，各获一项国家科技进步奖特等奖；
1985年，荣获“五一劳动奖章”；
1987年，获“全国劳动模范”称号；
1992年，获光华奖特等奖；
1994年，中国杰出科学家奖；
1999年，获“两弹一星”功勋奖章；
2015年，荣获2014年度国家最高科技奖；
2015年2月27日，于敏获感动中国2014年度人物；
2015年4月，于敏获颁“影响世界华人终身成就奖”。
2015年10月13日，于敏被授予全国敬业奉献模范称号。
2018年11月，入选100名改革开放杰出贡献对象。
2018年12月18日，党中央、国务院授予于敏同志改革先锋称号，颁授改革先锋奖章，并获评“国防科技事业改革发展的重要推动者”。
于敏填补了中国原子核理论的空白。（科学家 钱三强）
原子核理论是于敏自己在国内搞的，他是开创性的，是出类拔萃的人，是国际一流的科学家。（科学家 彭桓武）
于敏在氢弹研制中发挥了关键作用。（科学家 朱光亚）
于敏是“一个出类拔萃的人”，是“中国的氢弹之父”。（诺贝尔奖得主、核物理学家玻尔）
在氢弹原理突破中起了关键作用。（《中国军事百科全书——核武器分册》“于敏”条目）
