Filho do consagrado cientista e médico Carlos Justiniano Ribeiro Chagas e de Íris Lobo Chagas. Casou-se, em 1935, com Anna Leopoldina de Melo Franco, e com ela teve quatro filhas: Maria da Glória, Sílvia Amélia, Ana Margarida e Cristina Isabel.
Iniciou o curso secundário no Colégio Resende e diplomou-se pelos exames do Colégio Pedro II. Aos 16 anos ingressou na Faculdade de Medicina da antiga Universidade do Brasil, formando-se em 1931. Foi logo depois praticar a profissão em Lassance, no interior de Minas Gerais. Essa experiência colocou-o em contato direto com os problemas nacionais, confirmando a decisão de dedicar-se ao ensino e à pesquisa científica.
Ingressou no Instituto de Manguinhos, onde fez sua formação científica, no tempo em que aquele instituto era dirigido por Carlos Chagas, recebendo o diploma de especialização em Físico-Química, em 1935. Em 1932 fora nomeado assistente da cadeira de Patologia e, em 1934, da cadeira de Física Biológica. Foi em Manguinhos que se dedicou às áreas básicas da Medicina, criou a cadeira de Biofísica no Rio de Janeiro e no Brasil, utilizando técnicas novas de Radiobiologia, Farmacologia, Fisiologia e Bioquímica.
Em 1937, passou de Manguinhos para a então Universidade do Brasil, tornando-se professor titular da cadeira de Biofísica da Faculdade Nacional de Medicina. Após aprofundar seus estudos em centros de pesquisa na França, Inglaterra e Estados Unidos, criou o Laboratório de Biofísica da Faculdade de Medicina, que se transformaria, em 1946, no Instituto de Biofísica da Universidade do Brasil. Imprimiu ali a formação multidisciplinar, associando a pesquisa ao ensino, em regime de dedicação exclusiva, e incorporando jovens com vocação científica. De seus laboratórios saiu toda uma geração de cientistas brasileiros, levando longe o nome do Rio de Janeiro como uma referência geográfica da ciência e da cultura. O Instituto de Biofísica é, hoje, um dos membros da International Federation of Institutes for Advanced Study - IFIAS.
Exerceu importantes postos administrativos, no Brasil e no exterior, sempre ligados à sua área, trabalhando pela formulação de uma política científica nacional. Foi diretor da Divisão de Pesquisas Biológicas do Conselho Nacional de Pesquisa (CNPq), de 1951 a 1954, e presidente da Academia Brasileira de Ciências, de 1964 a 1966. Chefiou organismos internacionais de pesquisa, como o Centro Nuclear de Porto Rico; foi secretário-geral da Conferência sobre a Aplicação da Ciência e da Tecnologia ao Desenvolvimento, em 1962-63; e presidente do Comitê Científico para a Aplicação da Ciência e da Tecnologia ao Desenvolvimento, de 1966 a 1970, ambos da Organização das Nações Unidas.
Designado embaixador do Brasil junto à Unesco, em 1966, pelo presidente Castello Branco, ali desempenhou durante anos papel de relevo para o Brasil. Foi membro do Comitê Internacional para a Salvaguarda de Veneza; vice-presidente do Conselho Internacional de Uniões Científicas na França e, de 1973 a 1990, presidente da Academia Pontifícia de Ciências, modelando-a como uma academia de ação. Mais de 80 reuniões científicas de repercussão internacional foram realizadas sob sua presidência.
Na área humanística, marcou-o a contínua reflexão filosófica e sociológica sobre a ciência, seu papel e seus rumos no mundo moderno. Mostrando consciência da oportunidade estratégica da ciência para o Brasil e para os países pobres, seus ensaios tomaram importância considerável em virtude da posição global e humanística que os caracterizavam, relacionando a ciência às demais formas de conhecimento e vinculando-a à promoção do ser humano.
Obteve o reconhecimento de diversos países, pelos quais foi condecorado: Suécia, Itália, Portugal, França, Espanha, Venezuela. Dentre os títulos honoríficos recebeu os de Doutor Honoris Causa das Universidades de Paris, Autônoma do México, Coimbra, Toronto, Liège, Bordeaux, Salamanca e, no Brasil, do Recife, da Bahia e de Minas Gerais. Recebeu o Prêmio D. Antônia Chaves Berchon d'Essarts (1931); Moinho Santista (1960); Prêmio Álvaro Alberto para a Ciência e Tecnologia (1988); Prix Mondial Cino del Duca, da Fondation Simone et Cino del Duca, França (1989).
Foi membro do Conselho Estadual de Cultura do Rio de Janeiro e do Conselho Federal de Cultura, ao longo dos anos 70 e 80. Nunca se afastou do Instituto Manguinhos, onde iniciou sua carreira científica, sendo membro do seu Conselho Técnico-Científico, presidente do Conselho da Casa de Oswaldo Cruz e do Centro de Estudos da Fundação Oswaldo Cruz.
Foi membro titular ou correspondente de várias academias, entre as quais a Academia Brasileira de Ciências, Academia Pontifícia de Ciências, Academia das Ciências de Lisboa, Institut de France, American Academy of Arts and Sciences, American Philosophical Academy, Academia Nacional de Medicina da França, Academia Real da Bélgica, Academia de Ciências da Romênia e Academia Internacional de História das Ciências.
