Радиофизик. Один из основоположников квантовой электроники. Родился в Усмани Тамбовской губернии (ныне Липецкая область). В Воронеже окончил среднюю общеобразовательную школу (1941). Участник Великой Отечественной войны. Служил фельдшером на 1-м Украинском фронте. Окончил Московский инженерно-физический институт (ныне Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 1950).
С 1948 г. работал в Физическом институте им. П. Н. Лебедева АН СССР (ФИАН): заместитель директора (1958−1972); директор (1973−1989); основатель и заведующий лаборатории квантовой радиофизики (1963−2001). Доктор физико-математических наук (1956). Профессор Московского инженерно-физического института (МИФИ, с 1963 г.). В 1978 г. организовал и возглавил в МИФИ кафедру квантовой электроники (впоследствии переименованную в кафедру лазерной физики). Совместно с А. М. Прохоровым разработал метод генерирования электромагнитных колебаний с помощью квантовых систем, создал первый квантовый генератор (мазер). Выдвинул идею применения полупроводников (лазеров) и развил методы создания различных типов полупроводниковых лазеров.
Автор трудов по теории мощных импульсных лазеров, по квантовым стандартам частоты, взаимодействию мощного излучения с веществом. Академик Академии наук СССР (1966), Российской академии наук (1991). Член Президиума Академии наук СССР (1967−1990), Российской академии наук (с 1991 г.). Председатель правления Всесоюзного общества «Знание» (1978–1990). Главный редактор журналов «Наука», «Квантовая электроника» (с 1971 г.), «Природа» (1967–1990). Член Советского комитета защиты мира. Член Всемирного совета мира.
Лауреат Нобелевской (1964) и Ленинской премий (1959), Государственной премии СССР (1989). Дважды Герой Социалистического Труда (1969, 1982). Награждён орденами Ленина (1967, 1969, 1972, 1975, 1982), Отечественной войны II степени (1985), «За заслуги перед Отечеством» II степени (1997), Золотой медалью А. Вольты (1977), Золотой медалью Чехословацкой академии наук (1975), Золотой медалью им. М. В. Ломоносова Академии наук СССР (1990) и другими российскими и иностранными знаками отличия. Российской академией наук присуждается Золотая медаль имени Н. Г. Басова.
В его честь названа малая планета (3599), открытая в Крымской астрофизической обсерватории (1978). Ему установлены памятники в Усмани и Москве (в ФИАНе и МИФИ). В Москве его именем названа площадь. Отделение квантовой радиофизики в Физическом институте им. П. Н. Лебедева и гимназия при Воронежском государственном университете также носят его имя.
