1914年6月7日，卢鹤绂生于辽宁沈阳一个知识分子家庭，他的父亲卢景贵是我国上世纪早期公派赴美留学生，交通机械专家，与“少帅”张学良熟稔；母亲崔可言曾东渡日本，和秋瑾同在东京女子实践学堂公费留学，后从事教育工作。在家庭的熏陶下，天资聪颖的卢鹤绂从小就对自然科学产生了浓厚的兴趣。 初中就读于沈阳市省立第二中学。
1929年，考入沈阳东北大学附属中学高中理科班。
1931年，“九一八事变”，日军侵占沈阳，卢鹤绂随父去天津，在河北省工业学院机电预科学习。
1932年，他以优异的成绩考入了燕京大学理学院物理系。
1935年冬，“一二九运动”爆发，卢鹤绂担当纠察队员，护送游行队伍，声援古北口前线。
1936年，毕业于燕京大学（现北京大学）获理学士学位。同年赴美国明尼苏达大学研究院深造，专攻近代物理和原子物理。
1936年大学毕业以后即赴美国明尼苏达大学研究院深造，专攻近代物理和原子物理。
1937年，攻读硕士学位的卢鹤绂在导师的指导下，展开了一项热盐离子源发射性能的研究。然而，当时用来进行这项研究的实验仪器并不完备，卢鹤绂就自己动手设计制造了一台180度聚焦型质谱仪，并在这台今天看来颇为简陋的仪器上开始了他的工作。经过多次反复实验，卢鹤绂在测量锂7及锂6离子释放量的比值时，发现此值在不同时刻不尽相同，从而发现了“热盐离子发射的同位素效应”。紧接着，他又用自己发明的“时间积分法”在世界上第一次精确地测得了锂7和锂6的天然丰度比为12:29。卢鹤绂的这一科研成果刚做出就引起了不小的反响。美国《明尼阿波利斯日报》在头版显著位置刊发了题为《中国人在称原子重量》的报道，还配发了卢鹤绂正在做实验的照片。
1939年，在获得科学硕士学位后，他又继续进行博士论文的准备工作。当时正值铀235核裂变的发现震惊全世界物理界之际。如何用特大的质谱仪长时间积累出足够数量的铀235，是当时面临的难题。卢鹤绂提出了扇状磁场对入射带电粒子有聚焦作用的普适原理，并据此设计制造了一台新型60度聚焦的高强度质谱仪。
1941年他以题为《新型高强度质谱仪及在分离硼同位素上的应用》的论文获得哲学博士学位。这一研究成果，因涉及当时保密领域而被扣发。博士毕业论文的全部提要直到1950年，才在美国原子能委员会刊物《核科学文摘》上发表。
1941年放弃了在美国的优越工作条件和舒适生活，毅然回到了正在进行着抗战的祖国。先后被中山大学理学院、广西大学理工学院、浙江大学理学院等学校聘为教授。当时内地生活十分艰苦，为了讲授量子力学、近代物理、力学和地球物理探油术等课，他常常只能在点灯草的油灯下备课，在古庙里给学生讲课。
1942年，预言大规模利用原子能的可能性，随后提出一种估算原子弹及原子堆临界大小的简易方法，因此被国外称为世上第一位公开揭露原子弹秘密的人和中国核能之父。 1950年提出最早期原子核壳模型。
1945年，他研究出“估算铀235原子弹和费米型原子堆的临界体积的简易方法”，并在国际上首先发表，引起物理学界的强烈反响，他也因此被称为“第一个公开原子弹秘密的人”。
1947年，《美国物理月刊》发表了他的《关于原子弹的物理学》一文。
1950年，发表了《容变黏滞性之唯象理论》一文，提出了容变黏滞性理论，进而首次推出容变弛豫方程，并以此对经典流体动力学方程(纳威尔—斯托克斯方程)进行扩充，以容纳容变黏滞性。又在美国权威刊物《物理学评论》上发表了《论核模型》论文。1950年，在浙大任教时，他开辟了分子物理领域的研究方向，并修改了纳威尔D斯托克斯非线性方程，国际上称之为“卢鹤绂不可逆方程”。 1950年，在美国《物理评论》上发表了《关于核模型》一文，首次明确肯定核半径公式应改为R=1:23×10-13A1/3厘米。
1951年，在美国《声学会月刊》上发表的《从声现象研究体积黏滞性和压缩性》一文又扩展了原来的工作，把容变黏滞性理论从声学上的应用范围延伸到全部频率。同年发表的《容变黏滞性与声之速度与吸收》一文则进一步把理论从适用于一种分子的弛豫过程，推广到有多种弛豫过程同时存在的情况。同期杂志上还发表了他的《可压缩流体之散逸函数》一文，从他自己推广了的流体动力学基本方程导出包括容变黏滞性效应的流体耗散函数。这一系列论文的发表引起了国际学术界的重视，弛豫压缩基本方程被誉为“卢鹤绂不可逆性方程”。联邦德国的《物理学大全》和伯格曼的名著《超声学及其在科学技术上的应用》都引用了这一方程。在此期间，他还继续了对原子核结构的研究。
1952年夏，卢鹤绂被调到复旦大学讲授“热力学”及“统计物理学”两门课程，他自编教材，结果听课学生猛增，每班学生近百人。
1953年，在诺贝尔奖获得者雪格瑞主编的《实验核物理》一书中，认为是卢鹤绂首先发现了热盐离子发射的同位素效应。
1953年，加入九三学社，先后就任九三学社第六、七、八届中央委员会委员。
1954年，发表用费米气统计模型估算铀235核裂变发出的中子数，扩充了爱因斯坦的化学弛豫学说。
1955年夏，卢鹤绂调到北京大学新办的物理研究室工作，为从全国各高校选调来的高才生讲课。
1956年时全国最年轻的一级教授。
1957年，完成任务后重回复旦，被任命为原子核物理教研室主任，参与了原子能系的筹建，并积极参加了创建上海原子核研究所的工作，担任该所副所长兼一室主任。
60年代初，卢鹤绂对受控热核反应进行研究， 提出了快脉冲、慢脉冲和稳态的三大分类法，并对其能否成功进行了深入讨论。主编了《受控热核反应》一书，总结了1960年以前国内外在此领域的理论研究及实践探索方面的成果，这是我国第一本有关热核反应的专著。
卢鹤绂还使用时间积分法，在世界上第一次精确地测得锂7及锂6的天然丰度比为12：29，有美国媒体因此在头版报道了《中国人在称原子重量》。卢鹤绂创造性的实验和研究解决了前人从未准确测定的问题，他测定的数值被选定为同位素表上的准确值，被国际同位素表沿用了50多年，一直到1990年美国核数表引用的还是这一测定值。1958年，英国剑桥大学沃尔士著的《质谱学》介绍了他的时间积分法，认为这项成果来之不易。
1979年，受美国斯瓦尔斯莫大学校长的邀请作为1979—1980年度康涅尔尊贵访问教授，又应巴丁教授及其他学者邀请去伊利诺大学等20多个大学和研究机构访问讲学，并获纽约科学院授予的1980—1981年度“活跃院士”称号。
近年来，高能物理发展很快，高能物理与核物理的关系越来越密切。卢鹤绂带领他的课题组进行着高能核物理方面的研究工作，探讨原子核内的夸克自由度效应及夸克胶子等离子体产生的可能性。
1979年12月至1981年6月，卢鹤绂应美国一所大学和二次诺贝尔奖得主巴丁的邀请在美国成功地进行了学术访问，在20多所大学和研究机构讲课或作学术报告，邀请方对卢鹤绂的学术水平作了很高评价，并认为虽经10年“文革”荒废，他对物理学进展仍了如指掌。卢鹤绂的研究成果多而且质高，大多具有首创性，涉及范围又广,原子物理，分子物理，从实验到理论，是一个多才的物理学家。
1980年，当选为中国科学院学部委员(院士)。
1993年被英国剑桥国际传记中心授予20世纪成就奖，被美国传记研究院授予国际承认奖，先后载入英国剑桥传记中心的《国际传记辞典》和美国传记研究院的《世界五千人物》《五百权威领导人》。
1995年，检验了马赫理论的正确性，被美国《伽利略电动力学》主编认为是向爱因斯坦挑战的新方法。
1997年，在上海逝世。
