Nguyễn Văn Hiệu sinh ngày 21 tháng 7 năm 1938 tại Cầu Đơ, nay thuộc phường Hà Cầu, quận Hà Đông, Hà Nội trong một gia đình viên chức nhỏ.

• Năm 1954: Học ngành Vật Lý tại trường Đại học Sư phạm Khoa học.
• Năm 1956: Tốt nghiệp cử nhân Vật lý loại xuất sắc, sau đó được điều về giảng dạy tại trường Đại học Tổng hợp Hà Nội nay là Đại học Quốc gia Hà Nội, vào thời điểm đó Nguyễn Văn Hiệu cùng Nguyễn Lân Dũng là hai cán bộ giảng dạy trẻ nhất của nhà trường.
• Tháng 10 năm 1960: Ông được cử đi nghiên cứu sinh tại Viện nghiên cứu hạt nhân Dubna, Liên Xô.
• Năm 1963: Ông bảo vệ thành công luận án phó tiến sĩ (nay là tiến sĩ).
• Năm 1964: Bảo vệ thành công luận án tiến sĩ ngành Toán - Lý (nay là tiến sĩ khoa học).
• Từ 1964 đến 1969: Ông là tổ trưởng tổ nghiên cứu tại Viện nghiên cứu hạt nhân Dubna, Liên Xô.
• Năm 1968: Ông được công nhận chức danh giáo sư vật lý lý thuyết và vật lý toán của Viện Dubna và Đại học Tổng Hợp Lomonosov.
• Từ năm 1969 đến 1975: Ông là Viện tr­ưởng Viện Vật lý (Việt Nam), ủy viên Ủy ban khoa học và công nghệ nhà nước Việt Nam.
• Từ 1975 đến 1983: Ông làm việc tại Viện khoa học Việt Nam khi Viện vừa mới thành lập (1975-1983) - nghiên cứu về khoa học tự nhiên nay là Viện khoa học và công nghệ Việt Nam.
• Năm 1982: Tại Đại hội Đảng Cộng sản Việt Nam khoá V ông được bầu là uỷ viên dự khuyết Ban chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam, cũng trong năm này ông được bầu là Viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô.
• Từ năm 1983 đến năm 1993: Ông là Viện tr­ưởng Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam và là uỷ viên Ban chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam các khoá VI và khoá VII.
• Năm 1984: Ông được bầu là viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học thế giới thứ 3.
• Năm 1993 đến năm 1994: Ông giữ chức Giám đốc Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia;
• Từ 1993 đên 1998: Ông là Viện trư­ởng Viện Khoa học Vật liệu, uỷ viên Ban chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam khoá VIII.
• Năm 1999: Ông được Đại học Quốc gia Hà Nội gửi lời mời đặc biệt về giữ chức vụ Chủ nhiệm khoa Công nghệ, ông đã nhận lời và giữ chức chủ nhiệm khoa tới năm 2004.
• Năm 2004: Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội được thành lập từ khoa Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, ông giữ cương vị hiệu trưởng tới năm 2006.
• 12/2007-5/2008. Hiệu trưởng Trường ĐH Tư Thục và Quản lý Hữu Nghị.

Hiện nay, ông đảm nhiệm chức vụ uỷ viên Hội đồng chính sách Khoa học và Công nghệ quốc gia của chính phủ nước CHXHCN Việt Nam. Ngoài ra ông còn được giới vật lý châu Á bầu làm chủ tịch Trung tâm Vật lý lý thuyết châu Á - Thái Bình Dương (trụ sở tại Seoul, Hàn Quốc).