趙忠堯出生於清朝末年的浙江省諸暨縣，父親曾經任職過私塾先生和當過醫生，所以特別重視對他的教育，從小就進入私塾入讀，14歲的時候考入了當地縣立中學，18歲的時候又考入了南京高等師範學校。後來學校擴建為國立東南大學，他畢業後選擇了留校，在這裡他認識到了自己的恩師葉企孫，恰逢葉企孫回國任教，他給葉當助教。後來葉受聘到清華任教，他也跟隨到了清華大學。
25歲的時候通過借錢和申請大學補助選擇了自費留學，他到美國加州理工學院跟隨密立根教授學習。期初密立根看不上他給他安排了簡單的課題，他認為沒有難度要求替換，密立根給他替換成硬伽馬射線通過物質時的吸收係數這個課題。在他28歲的時候完成了這個課題，他也成為第一次觀測到正電子的人，後來的實驗更讓他成為世界上首次發現反物質的物理學家。然而後來的諾貝爾獎頒給了隔壁比他遲兩年發現正電子的安德遜，安德遜承認是受他的啟發，諾貝爾官方也給出解釋這是最大的錯誤。
次年他赴英國劍橋大學跟隨盧瑟福研究，同年底選擇回國，回國前盧瑟福贈送他貴重的50毫克鐳，回國後任職清華大學物理系教授，並開設了中國第一個核物理課程，以及創辦了第一個核物理實驗室。抗日戰爭爆發後清華大學南下合併為西南聯大，他冒死扮裝乞丐把鐳偷了出來步行一個月送到長沙親手交到清華大學校長手中。後來在昆明西南聯大任職時，利用這鐳做了好多中子放射性的研究實驗。
1946年美國再次在太平洋地區展示原子彈爆炸邀請各國科學家參觀，他有幸被作為代表參加，他把這些數據默默牢記心中，而後偷偷回到自己曾經的母校加州理工，隨後輾轉麻省理工學院、卡內基地磁研究所等地，目的就是為了國家買到加速器零件。終於等到1950年零件湊齊原則回國，跟錢學森等人一起登船，結果錢學森被捕，他慶幸逃過一劫，結果又在日本停靠時被美軍莫須有罪名抓捕，國民黨曾派人威脅他到臺灣，被他拒絕，後來在周總理的支持下回到國家。
回國後利用帶回來的零件主持建成了我國第一臺質子靜電加速器，後來又組建了250萬電子伏的質子靜電加速器。1979年還曾代表中國科學界前往德國出席物理學會議，1995年他把何梁何利基金委員會獎給他的10萬港幣捐獻給了中科院院數學物理學部。1998年病逝於北京。
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