1938年考取留英公费生，赴英国伦敦帝国理工学院攻读应用光学，1941年转入英国谢菲尔德大学，在著名玻璃学家特纳(W.E.S. Turner)教授指导下进行有关光学玻璃的研究。
1941年3月，在国际著名物理学刊物《Proc. Phys. Soc.》上发表论文“Note on the Best Focus in the Presence of Spherical Aberration”（在有球差存在下的最佳焦点），论述了光学系统中各级球像差对最佳像点位置和质量的影响。创造性地提出用优化理论导致以低级球差平衡残余高级球差并适当离焦的论点。
1942年，受聘于伯明翰昌司玻璃公司，专攻光学玻璃研究。同年加入留英工程师学会。
1945年，研制出V-棱镜精密折射率测定装置，并在英国制成商品仪器。获得英国科学仪器协会“第一届青年仪器发展奖(Bowen奖)”。
1948年5月，乘伦敦至香港的客船回到中国。 [2]
1948年6月，从香港乘船至上海，后应北平研究院物理研究所所长严济慈先生聘请，到该所从事光学研究工作。
1949年3月28日，从上海到香港，辗转朝鲜、沈阳等地抵达大连，参加创建大连理工大学，并主持创建应用物理系，任系主任。
1951年中国科学院邀聘王大珩去北京筹建仪器研制机构。
1952年中国科学院仪器馆（长春光机所）在长春成立，他被任命为馆长、所长。该所在他的领导下，30多年来为发展中国应用光学研究及光学仪器制造从摇篮而成为重要科研基地。
光学设计是仪器馆最早取得成绩的科研领域。王大珩亲自领导建立了光学设计组，并举办过若干次全国光学设计训练班。后来，在这里受启蒙基本训练的许多人，成为很有成就的光学科学家。光学玻璃是仪器馆成立初期的重要科研成果。在以龚祖同先生为首研制成功中国第一批光学玻璃的过程中，王大珩运用他在英国工作的经验，在玻璃配方、退火工艺及测试技术等方面做出了重要贡献。
1955年，当选中国科学院技术科学部学部委员（院士）。 [4]
1958年，长春光机所以研制高精光学仪器的“八大件”而闻名全国科技界。它们是：一秒精度大地测量经纬仪，一微米精度万能工具显微镜，大型石英摄谱仪，中型电子显微镜，中子晶体谱仪，地形测量用多臂航摄投影仪，红外夜视仪以及系列有色光学玻璃。这是王大珩创办仪器馆以来所花费心血的结晶，也孕育了1961年中国第一台激光器在这里诞生以及后来做出更为重要的成绩。
从60年代开始，王大珩和他领导的长春光机所转向以国防光学技术及工程研究为主攻方向。先后在红外微光夜视、核爆与靶场光测设备、高空与空间侦察摄影、空间光学测试等诸多领域做出了重要贡献。他参加了中国第一次核爆试验，指导改装了高速摄影机用于火球发光动态观测；他为建立国防光学工程的学科基础，最早在国内领导大气光学和目标光学特性的研究；他在太阳模拟器和空间侦察照相机的研制中提出了先进的技术方案。特别是靶场光测设备，他领导了多种型号的研制工作。
60年代初，为适应国防工程的要求，国家提出研制大型精密光学跟踪电影经纬仪的任务。就当时中国的技术水平而言，完成这一任务有很大困难，但是在王大珩的号召和指导下，经过5年的不懈努力，终于研制出超过原设计指标的中国第一台大型光测设备，开创了中国独立自主地从事光学工程研制和小批量生产的历史，在这项工程中，王大珩任总工程师。当时对于如何承担靶场跟踪经纬仪任务，曾出现过搞“半杆子”还是“一杆子”的争议。所谓“半杆子”就是说长春光机所作为科研机构，应只搞攻关研究——“上半杆子”，而整套设备的制造则应由产业部门和工厂来承担。所谓“一杆子”则是从研究攻关到出产品“一杆子到底”统由长春光机所完成。王大珩主张“一杆子”做法。实践证明王大珩的论点是切合实际的。从此，在中国科学院范围内，为研究发展高精技术设备确立了“一杆子”的传统。
1974年，在中国对美实施“乒乓外交”后，王大珩率中国激光科技代表团去美国考察。这是建国后中国第二个访问美国的学术代表团，对促进中美激光科技学术交流颇有影响。
1977年，中国参加国际米制公约组织，王大珩代表中国参加国际计量大会和国际计量委员会工作。
1979年至1992年，他当选为国际计量委员会委员，连任三届达13年之久。1978年中国计量测试学会成立，他当选为副理事长，1983年当选为理事长，1989年被推举为名誉理事长。王大珩多次呼吁加强计量的基础研究，在他的倡导下，成立了由中国计量科学研究院和北京大学等单位联合的“计量测试高技术联合实验室”。
1980年5月，中国向南太平洋发射远程运载火箭。长春光机所研制的电影经纬仪和船体变形测量系统两项光学工程，出色地完成了火箭再入段的跟踪测量任务，独立解决了当今世界远洋航天测量的平稳跟踪、定位、标定、校正的抗干扰等技术难题。王大珩在测量船的光学测量布局和船体摇摆及挠曲与实时修正方面均有重要创造。
1979年，由于在中国国防光学科研中所做的贡献，王大珩荣获全国劳动模范称号。1985年，“现代国防试验中的动态光学观测及测量技术”项目获国家科学技术进步特等奖，王大珩是首席获奖者。
1983年，王大珩调任中国科学院技术科学部主任，1983年至1987年兼任中国科学院空间科学技术中心主任、总工程师，参与领导中国科学院卫星工程，为中国载人航天工程有关科学技术领域的发展起到了推动作用。1985年王大珩被选为国际宇航科学院（IAA）院士。同时还担任过中国科协副主席，北京市科协主席。他还是中国仪器仪表学会第三届理事长。中国照明学会名誉理事长。在国内召开的历次激光会议、国际遥感会议、国际高速摄影和光子学等会议上，他都曾担任主席。1991年他又当选为国际光学工程学会会士。
王大珩在就任中国科学院技术科学部主任期间，为了发挥学部对国家重大科技及经济问题的咨询作用，倡导学部主动地就国家重大问题提出咨询性建议。得到各学部的赞同和决策者的赞赏。这项活动开展以来，已成为科学院各学部的主要任务之一。技术科学部提出过的咨询建议有发展中国的微电子技术；加速发展通讯技术、有关钢铁工业的发展路线、有关工科高等教育的改革问题、机电工业与高技术、高技术产业化的若干问题等等。后来又提出了发展中国信息基础设施的建议。
1984年美国总统里根提出开展中美太空科学与应用合作建议，王大珩积极支持并参与由国家科委牵头的中美合作相关工作。1986年3月，王大珩等科学家鉴于美国战略防御倡议和西欧“尤里卡计划”等高技术计划对世界各国引起的反应，认为中国也应采取适当的对策。因此他和王淦昌、陈芳允、杨嘉墀三位科学家联名发起向国家最高领导提出关于发展中国战略性高技术的建议。建议很快就得到邓小平同志批示。中央进一步考虑到今后高技术在整个国民经济发展中的重要意义，结合中国国情，及当前的国际形势，确定了“有限目标，军民结合，以民为主”的指导思想。此后，经过一系列的高级会议和专家讨论，发展成为“863计划”。这个计划的主要目的是在选定的生物、航天、信息、自动化、新材料、能源、激光等七个高技术领域内，跟踪世界先进水平，通过不断创造和实践，缩小同发达国家的差距。“863计划”的形成和实施已见实效。1991年4月邓小平同志又及时提出“发展高科技，实现产业化”的号召，以加快高科技成果转化为生产力。“863计划”对中国科技发展有着深远的影响。
1988年春，以美国为首发起国际空间年（ISY）活动，旨在协调各国有关全球环境研究的空间计划，将保护和改善人类全球生存环境的“行星地球使命计划”作为国际空间年的首要任务。1989年第44届联合国大会正式宣布1992年为国际空间活动年。美方邀请中国参加并作为发起国，王大珩受命代表中国参加这项工作。中国为此成立了国际空间年中国筹委会（ISY—CPC），王大珩任主任委员。在任期问，王大珩不遗余力地联系国内有关利用空间技术的14个部、委联合工作，不辞辛劳先后七次出国参加会议，并促成一系列国际活动。
1992年4月中国科学院学部大会上王大珩和其他五位学部委员（院士）联名向中央建议成立中国工程院，与中国科学院处于同等学术地位。这一建议得到党中央和国务院批准，工程界因此甚受鼓舞，这对进一步调动工程技术人员的积极性，将有深远的影响。1994年6月中国工程院正式成立。王大珩被中国科学院推荐并当选为第一批工程院院士之一，任第一届主席团成员。
王大珩曾先后当选为第三、四、五、六届全国人大代表，第三、七届全国政协委员。
2011年7月21日13时02分，因病在北京逝世，享年97岁。
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