1953年10月，王大中考入清华大学机械系。

1955年，因品学兼优，被选拔到新兴的尖端专业——工程物理系。1956年加入中国共产党。

1958年至1964年，毕业留校，随即参加清华大学屏蔽试验核反应堆的建设工程。在此期间，受命筹建反应堆热工水力学实验室，并在实战中完成了研究生学业。

1980年，获德国洪堡奖学金，被派往联邦德国进修。期间，选择了“模块式高温气冷堆的设计研究”，其研究成果获联邦德国专利局批准，并分别在美、英、法、日、意等国专利局进行了登记。

1981年1月至1982年9月，在联邦德国于利希核研究中心从事高温气冷堆研究，获德国亚琛工业大学自然科学博士学位。于1982年10月回国。

1986年至1993年，受聘担任国家863高技术计划能源技术领域首届专家委员会主任，先后主持了我国中长期能源需求预测；完成了我国先进核能技术发展战略研究规划；确定了快堆、高温气冷堆和聚变堆等先进堆的研究发展计划。获得国家级有突出贡献的中青年专家、全国优秀科技工作者、北京市劳动模范、全国先进工作者等荣誉称号和全国“五一”劳动奖章。

1992年主持完成的5兆瓦核供热堆国家重点攻关项目，荣获国家科技进步一等奖。

1993年，当选中科院院士。

1994年1月，正式出任清华大学校长，年届58岁。同年，获得何梁何利基金科技进步奖。

1998年，当选北京市第十一届人民代表大会常务委员会副主任。

2003年，当选全国政协第十届委员会常务委员。

2006年，参与领导完成的世界上首座模块式高温气冷堆项目荣获国家科技进步一等奖。

2021年，获得2020年度国家最高科学技术奖。