1920年10月10日，北平城北一户家境优渥的知识分子家庭诞生了一名男婴，父亲是著名铁路工程师洪观涛，母亲是著名出版家高梦旦次女高君远。洪观涛出生于一个重教兴学、人才辈出的家族。他毕业于中国近代第一所海军学校——福州马尾船政学堂的技工学校，后来加入同盟会，参加过辛亥革命，在法国学习铁路工程期间鼓吹推翻帝制，回国后先后在多条铁路任工程师、总工程师、工程局长等职。

洪观涛夫妇对子女教育期望很高，为姐弟3人请来家庭教师，除了学习近现代文化知识，格外重视英文学习，为将来出国留学做准备。1933年6月，年仅13岁的洪朝生从育英中学初中毕业，因成绩优异，校方愿意免除其高中学费。但父亲却坚定地为儿子择校，选择了师资力量更强的汇文中学。在这里，洪朝生遇到了影响他一生的物理老师张佩瑚，也开始了人生中数次“理”与“用”的纠结。

张佩瑚曾任北京大学物理系副教授，著名物理学家钱三强、国家最高科技奖得主谢家麟日后都曾回忆过他，一致认为他上课深入浅出，很能引发学生对物理的兴趣。洪朝生也是在高中时期喜欢上物理，其物理成绩几乎无人能出其右。同学霍本美曾感叹：“我不知道为什么上帝创造人如此的不平，你能得天独厚以最幼的年龄而有最优的成绩。”

1936年9月，洪朝生如愿考取清华大学，在选择专业时，他毫不犹豫写下“物理”二字。万万没想到，收到录取通知书时父亲不喜反怒。因为洪观涛认为“中国不需要纯粹科学，要的是工程师把国家建设起来”。洪朝生只好勉强转到电机工程系。

后来，在姐姐的调和下，父亲的态度缓和了些。洪朝生欢天喜地地找到物理系主任吴有训，想再转回来。吴有训认为学期中间转学比较麻烦，便告诉他等开学时再议。不料此事竟无下文，及至抗日战争爆发，洪朝生逐渐打消了重学物理的念头，就想“安心读工程罢，读物理也是太不顾国家的需要了”。

1943年~1944年，洪朝生同时考中庚子赔款留美、留英公费生名额，最终选择去麻省理工学院学习物理电子学。这重新点燃了他当一名物理学家的梦想。1950年，他在普渡大学发现杂质能级上的导电现象，提出半导体禁带中杂质导电的概念，即“洪朝生现象”，引发了国际上对无序系统电子输运机制的探索。

因为这一重要科学发现，一些国外知名实验室邀请洪朝生加入，继续从事纯物理理论研究，甚至还有加薪等条件。但此时的洪朝生已坚定了回国的志向，他谢绝所有邀请，放弃了继续从事理论物理研究的个人愿望，最终踏上回国的路程。回国后，由于国家需要，洪朝生将主要精力投入到低温技术研究，为低温科学研究铺路，事实证明这是一条适合中国低温事业发展的正确道路。

可以说，洪朝生在每次人生的岔路口，虽有犹豫，但都最终选择了服从国家需要。晚年时，他自己也坦言：“是探索自然奥秘抑或是做直接有用的事，这个问题并未就此解决（而是一直伴随我进入老年）。”