1938年3月14日生于湖南湘潭，祖籍江苏无锡。1956年考入北京大学物理系，1962年本科毕业，1965年研究生毕业。同年9月至1966年12月在北京大学工作。1967年进入中国科学院物理研究所，历任副研究员、研究员、研究室主任、开放实验室主任、副所长、所长（1985 ~ 1999）。在物理所工作期间，1983年、1984年分别为美国劳伦兹伯克利国家实验室访问学者、美国哈佛大学应用科学系访问副教授。1999年当选中国科学院院士。

杨国桢长期从事理论物理、光学物理和凝聚态物理等领域研究工作。在光学一般性变换、光学系统相位恢复问题、超短脉冲激光谱线超加宽理论、表面和界面非线性光学、激光分子束外延及氧化物薄膜等研究方面，取得开创性的重要研究成果，并在中国成功获得液氮温区氧化物超导研究中作出了重要贡献。还曾组织领导由国家有关部门赋予的相关重大科技项目。曾担任中国大百科全书第三版物理卷主编。发表论文600余篇。获得国家级科技成果奖5项，包括国家自然科学奖一等奖1项、国家自然科学奖二等奖2项，其他部省级科技成果奖5项。1988年被授予“国家级有突出贡献中青年科学家”称号。2004年获何梁何利基金科技进步奖。1998年当选美国物理学会会士。2008年当选英国物理学会名誉会士。2022年获中国物理学会终身贡献奖。

杨国桢培养了40余位博士研究生。获中国科学院优秀教师奖（1996年）和“杰出贡献教师”荣誉称号（2008年）。被聘为国务院学位委员会第三、四、五届物理学科评议组成员。

在物理所所长任职期间，杨国桢与领导班子成员一起，积极致力治所理政，以扎实有效的改革措施，全面推动物理所的建设与发展，显著提升了物理所的发展优势和学术地位，并为后续的发展创新奠定了基础和创造了有利条件。

1965年毕业于中国科学技术大学物理系，1984年在意大利国际研究生院获博士学位。1990年晋升教授，1994年被评为博导。2006年被评为国家级教学名师，2014年被评为“万人计划”教学名师。

1993年获中国科学技术大学理学博士学位。1996-1997年在日本原子力研究所做学术访问，1999年-2000年担任日本东京大学客座教授。