彭桓武，1915年10月6日生于吉林长春，父亲彭树棠，母亲陈思敬。原名彭梦熊，因生他时母亲梦见一只小黑熊破门而入，后改彭飞，再改名彭桓武。
1928年至1930年，先后在长春自强中学、吉林毓文中学读书。
1931年考入清华大学物理系，1935年毕业，获得理学士学位。同年入清华大学物理系研究生院。
1937年6月，清华大学物理系研究生肄业，任昆明云南大学理化系教员，教普通物理。翌年赴英国爱丁堡大学理论物理系，师从著名物理学家马克斯·玻恩（Max Born），从事固体物理、量子场论等理论研究。
1940年和1945年分获哲学博士和科学博士学位。1941年8月后，曾两度在诺贝尔物理学奖获得者薛定谔（Erwin Schrödinger）任所长的爱尔兰都柏林高等研究院理论物理研究所从事研究工作，完成关于介子的HHP理论的研究。
1945年与玻恩共同获得英国爱丁堡皇家学会麦克杜加尔－布列兹班奖。1945年8月至1947年7月，任都柏林高等研究院理论物理研究所助理教授。
1947年回国，先后担任过云南大学、清华大学、北京大学、中国科技大学教授，并参与创办中国科学院近代物理研究所，任研究所研究员。
1948年被选为爱尔兰皇家科学院院士。
1954年9月，当选为第一届全国人大代表，
1955年10月至1956年4月，在前苏联莫斯科热工研究所实习反应堆理论。
1955年当选为中国科学院学部委员（院士），历任中国科学院近代物理研究所研究员、副所长，二机部第九研究院副院长、中国科学院高能物理所副所长、中国科学院理论物理所所长等职。
1959年4月，当选为第二届全国人大代表。
1962年起，先后在中国科学技术大学、北京大学教授理论物理、分子反应动力学等课程。
1964年12月，当选为第三届全国人大代表。
1978年2月，当选为第五届中国人民政治协商委员会委员。
1982年，获国家自然科学奖一等奖。
1985年，获得两项国家科技进步奖特等奖。
1995年，获得何梁何利基金科学与技术成就奖。
1999年，获得“两弹一星功勋奖章”。
2004年，在中国科学院理论物理研究所报告的"广义相对论与狄拉克大数假设的统一"论文，文中提出了可能在宇宙学方面具有深远意义的设想。
2005年，在研讨会上做了题为《广义相对论――一个富于刺激性的理论》的学术报告。
2007年2月28日21时40分，因病在北京逝世，享年92岁。
《理论物理学基础》，彭桓武、徐锡申
《数理物理基础》，彭桓武、徐锡申
《物理天工总是鲜：彭桓武诗文集》，彭桓武
《超高能粒子加速的新途径——调相聚焦激光加速器》，彭桓武、庄杰佳
《应用忽鲁登变分法决定核子与核子散射的周相》，彭桓武、黄祖洽
《五维空间中电子的流体结构尝试》，彭桓武
《关於~2H,~3H,~3He,~4He诸原子核结合能之问题》，彭桓武、唐懋荧
《爱因斯坦和量子力学的隐参数问题》，彭桓武、何祚庥
1941年到1943年，彭桓武和海特勒、哈密顿合作发表了一系列论文，综合介子场的研究成果对宇宙线现象进行较系统的解释，这些成果中最著名的一部分就是以三人姓名首字母命名的HHP理论，这一理论发展了量子跃迁几率的理论，用能谱强度首次解释了宇宙线的能量分布和空间分布等。
1945年，彭桓武与玻恩合作关于场的量子力学与统计力学的一系列探索性工作，共获爱丁堡皇家学会的麦克杜格尔—布里斯班奖。同年夏，他获得爱丁堡大学科学博士学位。
从20世纪50年代中期开始，彭桓武参与和领导了中国原子能物理和原子弹、氢弹以及战略核武器的理论研究和设计。他在中子物理、辐射流体力学、凝聚态物理、爆轰物理等多个学科领域取得了重要成果，对分子结构提出过新的处理方法，在量子多体问题研究中提出了自洽场的推广理论。
彭桓武是核潜艇动力方案的领导者；领导和参加了原子弹设计方案的制定；领导和参加了氢弹的原理设计和试验；参加了中国第一次地下核试验的理论领导工作。
1978年，彭桓武在完成国防科研任务，调任中国科学院理论物理研究所所长之后，应中国科技大学研究生院的邀请，于同年10月至1979年6月开设理论物理课程。1980年，他大力倡导凝聚态物理的研究，并参与组织了中国科学院数理学部的凝聚态理论和统计物理学术小组，被选为该小组的第一任组长，致力于推动这门学科在中国的普及和发展。1982年2月，又在北京大学物理系讲授分子反应动力学，借以在国内提倡化学物理这门新兴的交叉学科。1995年前后，在有关学术会议上大力提倡生物物理的研究，就如何开展这方面的工作提出了自己的看法。在进行这些工作和主持理论物理专项基金的同时，仍然亲自动手做一些感兴趣的理论研究。遇到适当的机会，他也和年轻人谈些治学的体会。他把学习方面的经验归结为四句话，即"学问主动，学友互助，良师鼓励，环境健康"。
中科院外籍院士李政道：桓武师是一位非常杰出的理论物理学家，在物理学史上书写了光辉的一页。他更为祖国的强盛和科学技术事业的发展做出了杰出的贡献，并为祖国培养了几代物理学人才。他是一位真人真学者，我非常敬佩他。他的科技思想之开阔和求深，治学之严谨，人格之高尚都是后人们要认真学习和发扬的。他的学术思想、治学精神和高尚人格无疑将同天上的“彭桓武星”一样与日同辉。
中科院院士钱三强：彭桓武默默地做了许多重要工作，但很少有人知道。
中科院院士黄祖洽：“桃李不言，下自成蹊”。彭桓武那爱国主义的精神，多做贡献的实践，科学求真的态度，学术民主的方法，奖掖后进的用心和淡泊名利的胸怀，乐观旷达的性格都是值得我们钦佩和努力学习的。
中科院院士贺贤土：在研究原子弹期间，彭先生事实上已开始琢磨氢弹会是怎么样？正是在彭桓武的指导培养下，在邓稼先、周光召、于敏、黄祖洽等的组织攻关下，中国氢弹试验同样取得了圆满成功。
中科院院士郝柏林：彭桓武先生一向关注交叉科学的发展。他提出理论物理研究所不仅要做理论物理，还要开展理论生物和理论化学研究。他亲自推动全国的统计物理和凝聚态理论研究，促成了每两年一次的全国统计物理和凝聚态理论的系列会议。
中科院院士邹承鲁：彭桓武先生才是真正的大家。
