方12岁时加入中国共产党的地下外围组织,后就读于北京四中。1952年考入北京大学物理系。1955年加入中国共产党。1958年调至中国科学技术大学,前后担任助教、讲师和天体物理学教授,1984年9月17日─1987年1月12日任第一副校长。在中国率先开展相对论天体物理(1971年起)及宇宙学研究,著有《宇宙的创生》、《相对论天体物理的基本概念》(科学出版社出版)、《从牛顿定律到爱因斯坦相对论》[1]等着作,译作则有《引力论》(正中书局1998年版),他还是《中国大百科全书》天文学卷(1980年初版)天体物理学分支的主编。在校内他担任多个职务,如自然科学史研究室主任、天体物理中心主任、该校学报主编等。
1986年12月初起,中国科学技术大学部分学生因对选举人民代表的“橡皮图章”性质不满而抗议,进而引发的全国性学潮。在1986年12月4日晚上的学生集会上他说:民主不是自上而下给予的,而是从下到上争取的。翌日他阻止学生上街游行没有成功。方励之在整个学潮过程中对学生的民主诉求没有打压。1987年春在“反对资产阶级自由化”运动中被邓小平点名开除中共党籍(1987年1月17日)[2]与中国科学技术大学副校长一职(1987年1月12日),并被调到北京天文台任研究员。
1988年秋起开始积极参加当时北京高校的政治研究会,并接受外国传媒采访公开批评四个基本原则,也受到当时北京学生的认同,1989年1月6日向当时的中央军委主席邓小平发表公开信[3],建议该年为纪念中华人民共和国40周年,释放民运分子魏京生等。由于在六四事件期间与他在北京大学任教授的妻子支持学生诉求,六四事件翌日与妻子避入美国驻北京大使馆,6月12日起被北京市公安局通缉(理由指他们夫妇煽动王丹等民运分子“搞动乱”)。在使馆中滞留一年之后乘坐美军飞机前往英国,半年后至美国。
方励之目前在美国亚利桑那大学物理系任教授,从事天体物理学研究,仍处于学术活跃状态,每年都有若干学术论文发表。在美国期间曾任中国人权理事会共同主席,2005年1月9日因抗议中国人权理事会内部财务管理混乱而与林培瑞等理事退出中国人权理事会。