彭桓武出生於長春，父親曾考過舉人，赴日留學回國，當時任職民國縣長，用現在的話說他也算個官二代。從小表現的聰明伶俐，對數學感興趣，對於父親交過的數學知識一遍就會。從小就讀私塾，和小學加起來一共七年時間，二年級的時候訂閱一本數學期刊，每次他都做完郵回出版社，後來出版社免費為他訂閱此刊物。13歲的時候先後就讀於長春自強中學、吉林毓文中學，中學期間他成績回回全班第一，常常向老師請教物理知識，也曾積極研究化學實驗。
15歲那年全家搬遷至北平，他又先後到匯文中學、大同中學完成高中剩餘學業。16歲以優異的成績考入清華大學物理系，先是跟隨葉企孫學習，大學畢業後跟隨周培源讀研究生。抗戰爆發後他轉移到昆明，任職雲南大學，次年考取中英庚款留學。到英國愛丁堡大學跟隨玻恩從事研究，主要研究領域是固體物理和量子場論，他的勤學深得玻恩喜歡，在他獲得博士學位後把他推薦到柏林高等研究所跟隨薛定諤從事研究，在這裡同樣讓薛定諤刮目相看，他同海特勒進行介子理論方面的研究，還同海特勒、哈密頓合作發表了HHP理論，首次解釋了宇宙線的能量分佈和空間分佈。
正當他學術上如日中天的時候，1947年收到了雲南大學等多校的聘書，他選擇回國到雲南大學任職教授，他曾說“回國不需要理由，不回國才需要理由”。新中國成立後他轉到清華大學任職，並開設了開設普通物理、量子力學及數學物理方法等課程。1955年他以特派生的身份赴蘇聯學習核反應堆理論，1961年負責核武器物理研究工作，兩年後又轉向氫彈的理論研究。1995年他把獲得的何梁何利基金科學與技術成就獎的獎金全部捐給當年從事核研究身體受傷的同事。90歲高齡的時候還親自作著學術報告，2007年在北京病逝。
他的成就除了提出文明世界的HHP理論外，還與玻恩一起合作研究場的量子力學與統計力學的。回國後的他更是為國防科研做出巨大貢獻，在中子物理、輻射流體力學、凝聚態物理、爆轟物理等多個學科領域取得了重要成果，對分子結構提出過新的處理方法，在量子多體問題研究中提出了自洽場的推廣理論。同時他也為我國培養了尖端的科技人才。
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