王天眷先生1912年4月20日生于浙江省黄岩县潭头村。父亲王卓为辛亥革命烈士，在王天眷出世之前就已为革命献身。王天眷从童年起就深受爱国主义思想的熏陶，对以后的成长有较大的影响。

先后就读于上海交通大学和清华大学，毕业后，曾任清华大学无线电学研究所助教、重庆大学电机系讲师、航空委员会空军通信学校教官与教授科长。后又赴美访问研究，在美获俄亥俄州立大学理学硕士（物理）、哥伦比亚大学哲学博士（物理）学位。

新中国成立后不久，王天眷即作回国的准备，但当时的美国当局扣留了他的护照，经过多年的斗争，到1958年底才将护照归还给他。但要想从美国直接回国阻力极大，经多方周旋，才获得去欧洲各国的签证，于1959年8月离开美国，游历和考察了英国、丹麦、荷兰、比利时、联邦德国、瑞士和意大利等国。即便长期身处国外，他始终认为“中国共产党长期斗争总的方向是正确的。党有自信、有能力、能够靠自己解决自己的问题。最重要的是一切从实际出发，理论联系实际，实事求是”。以一个老共产党员的党性认真对待科学研究和各项工作。同时他也积极寻求帮助，争取回到祖国怀抱，为新中国科研事业发展添砖加瓦。经过中国驻法国和瑞士大使馆的帮助，绕道奥地利、匈牙利、前苏联等国，历尽周折，于1960年2月举家回国，投入社会主义祖国的科学事业。

回国后，尽管当时的条件较差，他依旧担起科研重任。他首先在中国科学院武汉物理所创建波谱学研究室，培养和造就了一批波谱学研究骨干。60年代由于中国国防和现代化建设的需要，积极发展了原子钟事业。王天眷发挥了他在美国创造氨激射器的学识和经验，在中国开展了氨分子钟的研制工作。不久，在他带领下又成功地完成了氢激射的研制，对中国时间频率计量事业起到奠基性的作用。此后又完成了铷原子激射器和铷原子钟研制等重大任务，对国家科研事业的进步起到了重要作用。