方12歲時加入中國共產黨的地下外圍組織,後就讀於北京四中。1952年考入北京大學物理係。1955年加入中國共產黨。1958年調至中國科學技術大學,前後擔任助教、講師和天體物理學教授,1984年9月17日─1987年1月12日任第一副校長。在中國率先開展相對論天體物理(1971年起)及宇宙學研究,著有《宇宙的創生》、《相對論天體物理的基本概念》(科學出版社出版)、《從牛頓定律到愛因斯坦相對論》[1]等著作,譯作則有《引力論》(正中書局1998年版),他還是《中國大百科全書》天文學卷(1980年初版)天體物理學分支的主編。在校內他擔任多個職務,如自然科學史研究室主任、天體物理中心主任、該校學報主編等。
1986年12月初起,中國科學技術大學部分學生因對選舉人民代表的“橡皮圖章”性質不滿而抗議,進而引發的全國性學潮。在1986年12月4日晚上的學生集會上他說:民主不是自上而下給予的,而是從下到上爭取的。翌日他阻止學生上街遊行沒有成功。方勵之在整個學潮過程中對學生的民主訴求沒有打壓。1987年春在“反對資產階級自由化”運動中被鄧小平點名開除中共黨籍(1987年1月17日)[2]與中國科學技術大學副校長一職(1987年1月12日),並被調到北京天文台任研究員。
1988年秋起開始積極參加當時北京高校的政治研究會,並接受外國傳媒采訪公開批評四個基本原則,也受到當時北京學生的認同,1989年1月6日向當時的中央軍委主席鄧小平發表公開信[3],建議該年為紀念中華人民共和國40周年,釋放民運分子魏京生等。由於在六四事件期間與他在北京大學任教授的妻子支持學生訴求,六四事件翌日與妻子避入美國駐北京大使館,6月12日起被北京市公安局通緝(理由指他們夫婦煽動王丹等民運分子“搞動亂”)。在使館中滯留一年之後乘坐美軍飛機前往英國,半年後至美國。
方勵之目前在美國亞利桑那大學物理係任教授,從事天體物理學研究,仍處於學術活躍狀態,每年都有若幹學術論文發表。在美國期間曾任中國人權理事會共同主席,2005年1月9日因抗議中國人權理事會內部財務管理混亂而與林培瑞等理事退出中國人權理事會。