В 1962 году окончил среднюю школу с серебряной медалью. Затем поступил в Московский физико-технический институт (МФТИ) на факультет аэрофизики и прикладной математики. В 1968 году с отличием окончил его по специальности «термодинамика и аэродинамика» и был принят в аспирантуру МФТИ (руководитель — Вит. М. Иевлев).
В 1971 году досрочно защитил кандидатскую диссертацию «Теплофизика плазмы ядерных ракетных двигателей».
С октября 1971 года по май 1986 года работал в отделении Института химической физики АН СССР (ОИХФ) в Черноголовке (ныне — Институт проблем химической физики РАН). По собственным воспоминаниям, попал в OИХФ благодаря случайной встрече с академиком Зельдовичем на научном симпозиуме.
В 1976 году защитил докторскую диссертацию «Исследование неидеальной плазмы динамическими методами».
С 1982 года — профессор по специальности «химическая физика, в том числе физика горения и взрыва».
С 1986 по 1992 годы работал заведующим отделом Института высоких температур АН СССР (ныне — ОИВТ РАН) и, по совместительству, заведующим лабораторией в OИХФ. В 1987 году избран членом-корреспондентом АН СССР по Отделению физико-технических проблем энергетики (специальность «теплофизика»), а в 1991 году — действительным членом РАН по Секции физики, энергетики и радиоэлектроники.
С 1992 по 2007 годы — директор Института теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН.
С 1993 по 1997 годы — председатель Российского фонда фундаментальных исследований.
С 1996 по 2001 годы — вице-президент РАН. В августе 1996 года был назначен председателем Государственного комитета РФ по науке и технологиям, затем — министром науки и технологий, одновременно до марта 1997 года являлся заместителем Председателя Правительства РФ;
в марте 1998 года вышел в отставку в составе кабинета Черномырдина. С 2007 года и по настоящее время — директор ОИВТ РАН. Также являлся заведующим кафедрой физики высокотемпературных процессов в МФТИ (факультет молекулярной и химической физики).
С 2002 по июнь 2013 года — академик-секретарь Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления (ОЭММПУ) РАН. С 2010 года — член консультативного научного cовета фонда «Сколково». Также с 2011 года входил в состав попечительского совета Северного (Арктического) федерального университета имени Ломоносова.
29 мая 2013 года общим собранием Российской академии наук избран президентом академии.
Мастер спорта по баскетболу и парусному спорту. Кандидат в мастера спорта по шахматам. Начал заниматься парусным спортом на третьем курсе МФТИ, где был яхт-клуб. Под парусами на яхте прошёл Мыс Доброй Надежды и Мыс Горн. В составе международных научных экспедиций достиг Северного и Южного полюсов, погружался на глубоководном аппарате «Мир» на дно озера Байкал