Licenciado en Ciencias Físicas por la Universidad Complutense de Madrid (1971) y Doctor (Ph.D.) en Física por la Universidad de Londres (1978), grado convalidado por la Universidad Autónoma de Madrid (1979). Desde 1994 es Catedrático de Historia de la Ciencia en el Departamento de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid, habiendo sido previamente (entre 1983 y 1994) Profesor Adjunto (numerario), primero, y Titular después de Física Teórica en la misma Universidad.

Tras licenciarse, entró a formar parte de la Universidad Autónoma de Madrid como profesor ayudante. Entre 1975 y 1978 permaneció en Londres (en el Departamento de Matemáticas del King's College, primero, y en el Departamento de Física y Astronomía del University College, después) como becario de la ESRO (European Space Research Organization), ahora ESA (Agencia Europea Espacial), durante los dos primeros años, y del Ministerio de Educación y Ciencia el tercero. Durante el curso 1978-79 fue Assistant Visiting Professor en el Departamento de Física de la Temple University, de Filadelfia, regresando a España en septiembre de 1979, al Departamento de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid. Entre 1989 y 1992 permaneció en comisión de servicio en el Instituto de Filosofía (del que fue Subdirector) del Consejo Superior de Investigaciones Científicas.

En marzo de 2003 fue elegido miembro de la Real Academia Española, en la que leyó su discurso de ingreso el 19 de octubre de 2003. Ocupa el sillón "G", en el que sucede a José María de Areilza y José Hierro.

Desde noviembre de 2003 es miembro de la Academia Europea de Ciencias y Artes (Academia Scientiarum et Artium Europaea), cuya sede central se encuentra en Salzburgo. En 2006 fue elegido miembro correspondiente de la Académie Internationale d’Histoire des Sciences de París.

En 2001 recibió el Premio José Ortega y Gasset de Ensayo y Humanidades de la Villa de Madrid por su libro El Siglo de la Ciencia (Taurus 2000). En 2004 recibió el Prisma de la Casa de las Ciencias de La Coruña al mejor artículo de divulgación científica publicado en 2003 por su artículo "¿Para qué la ciencia?", publicado en El País. En 2015 le fue otorgado el Premio Nacional de Ensayo, que concede el Ministerio de Educación, Cultura y Deporte, por su obra El mundo después de la revolución: la física de la segunda mitad del siglo XX.

Se le han reconocido cinco tramos de investigación (uno de física teórica y cuatro en historia de la ciencia).

Ha pronunciado conferencias invitadas en, entre otros lugares, las universidades de Harvard, Yale, Minnesota, Berkeley (California), Boston, Notre Dame, Oxford, Pavía, Dresde, así como en centros de Bogota, Santiago de Chile, La Habana, National Museum of Air and Space (Washington D.C.), París, Marsella, Milán, Evora, Gotinga, Bruselas y Londres, y en decenas de universidades e instituciones de España. Entre los cursos que ha dictado, destacan:
- un curso de cuatro conferencias sobre "El valor de la ciencia contemporánea" en la Fundación March, Madrid (noviembre de 1995)
- tres Cursos Magistrales de la Universidad Internacional Menéndez Pelayo, dos en su sede de Santander, titulados "De la Revolución Científica a la biotecnología. Lecciones de historia de la ciencia" (julio de 1997; 14 lecciones) y "Albert Einstein: ayer y hoy. Ciencia, política y filosofía" (julio de 2002; 14 lecciones), y otro en la sede de Pontevedra: "Lecciones de historia de la ciencia en España: De Felipe II a la transición democrática" (septiembre de 1999)
- un Aula Abierta en la Fundación Juan March, "La ciencia a través de su historia" (ocho lecciones: febrero-marzo de 2000).

En 1997 presidió el jurado de los premios de la Casa de las Ciencias de A Coruña. Ha sido Comisario de las exposiciones "Cien años de ciencia en España" (Residencia de Estudiantes, diciembre de 1998-marzo de 1999) y "Einstein en España" (Residencia de Estudiantes, junio-julio 2005).

Entre 1999 y 2001 fue miembro del Consejo Asesor de la Fundación Juan March. Fue Comisario para Ciencia y Tecnología de la Sociedad Estatal "España Nuevo Milenio", para la que dirigió dos Congresos internacionales: "El siglo de los cuantos" (Barcelona, Museu de la Ciència, 30 de mayo-1 de abril de 2000) y "Ciencia y Tecnología ante el Nuevo Milenio" (Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Madrid, 2000), cuyas actas fueron, en ambos casos, publicadas bajo su dirección. Fue profesor del Máster de Periodismo Científico, organizado por el profesor Ángel Martín Municio en la Real Academia de Ciencias. Entre los Cursos de Verano que ha dirigido se encuentran "La historia de la ciencia como punto de encuentro en la enseñanza secundaria" (UIMP, Santander 13-17 de septiembre 1999), "Ciencia, tecnología, sociedad y cultura en el fin de siglo" (UIMP, Valencia 13-15 de octubre de 1999). Junto a Juan Pablo Fusi y Santos Juliá, desarrolló un seminario sobre "Un balance del siglo XX en España" en la UIMP, Santander, del 7 al 11 de agosto de 2000.

Pronunció la conferencia de clausura ("José Echegaray y la matemática como instrumento de regeneración") en la Jornada Matemática que el Congreso de los Diputados dedicó a celebrar el Año Mundial de las Matemáticas, el 21 de enero de 2000, y en abril de 2001 el Consejo de Universidades le propuso como su candidato al XV Premio Internacional Menéndez Pelayo de la Universidad Internacional Menéndez Pelayo. En 1989 pronunció la Conferencia inaugural ("La Física Matemática en España: de Echegaray a Rey Pastor") del V Congreso de la Sociedad Española de Historia de las Ciencias y las Técnicas, celebrado en Murcia. El 30 de septiembre dictó la conferencia de apertura del curso 2003-2004 en la Universidad Autónoma de Madrid.

Ha sido o es miembro del consejo editorial de Revista de Occidente, Boletín de la Institución Libre de Enseñanza, Quark y Arbor, de la que fue director adjunto desde septiembre de 1992 hasta diciembre de 1996.

Creó en la Universidad Autónoma de Madrid un Archivo de la Ciencia Española, financiado por el Banco Exterior de España, depositado en la actualidad en la Biblioteca de Humanidades de esa universidad. Con el apoyo de esta misma institución, dirigió (1990-1992) una colección –"Biblioteca de la Ciencia Española"– de la que aparecieron cinco títulos: Pío del Río Hortega, José Echegaray, Esteban Terradas, José Rodríguez Carracido y Leonardo Torres Quevedo.

Ha sido director de la colección de "Clásicos de la Ciencia" (24 títulos) publicados entre 1996 y 1997 por el Círculo de Lectores dentro de su Biblioteca Universal; asesor para Ciencia de Alianza Editorial y Grijalbo-Mondadori; director de las colecciones científicas de la editorial Debate y la colección (bilingüe) "Clásicos del pensamiento" del Consejo Superior de Investigaciones Científicas. En la actualidad dirige la colección de ensayo y divulgación científica "Drakontos" de la editorial Crítica, en la que han aparecido obras de, entre otros, Stephen Jay Gould, Richard Feynman, Roger Penrose, Stephen Hawking, Francisco Ynduráin, Francisco Rubia, José María Bermúdez de Castro, Francisco García Olmedo, Paul Davies, Edward Wilson, Steven Weinberg o Antonio Damasio. Desde 2005 dirige también en la editorial Crítica, y, en una coedición Critica-Fundación Iberdrola, una colección de "Clásicos de la Ciencia y la Tecnología". Tanto en la editorial Debate como en Crítica se ha esforzado en incorporar a sus catálogos de autores españoles, habiéndolo logrado en un cierto número de casos (como Enrique Trillas, Francisco García Olmedo, Francisco Ynduráin, Pedro García Barreno, Alicia Rivera, Javier Sampedro, José María Bermúdez de Castro o Francisco Rubia).

Es crítico de libros científicos en el diario El País, donde ha publicado numerosísimas reseñas de obras científicas y también artículos de opinión.