1915年10月26日，卢嘉锡出生于厦门市鼓浪屿泉州路70号“宁远楼”。卢家原本是台湾台南的书香世家，因甲午战败后不愿做“日本臣民”，卢嘉锡的祖父卢立轩带领全家迁回厦门。卢东启继承父业，在厦门开设私塾教育，并延续了“留种园”的私塾名。卢东启患严重眼疾，几乎失明，但他全凭博闻强记继续教书。卢东启望子成龙，取自《书经》“嘉天之锡”意为“感谢上天的赏赐”，为儿子取启名卢嘉锡。
1939年7月卢嘉锡获伦敦大学物理化学专业哲学博士学位，同年8月赴美国加州理工学院，跟随杰出化学家、诺贝尔奖获得者鲍林教授学习并从事结构化学研究，任客座研究员。在鲍林指导下利用X射线和电子衍射法技术分析研究晶体结构和分子结构，对过氧化氢、硫化物、苯基衍生物、氨基酸等物质的分子结构进行深入细致的研究分析，在《自然》《晶体学报》《美国化学会会志》《科学仪器评论》等国际权威刊物上发表多篇高水平学术论文；他所设计的等倾角魏森保照相的倒易L-P因子图，被称为“卢氏图表”，载入《国际X射线晶体学用表（第二卷）》，被国际化学界普遍应用几十年。
1944年卢嘉锡任美国国防委员会第十三局马里兰研究室研究员，从事美国战时军事科学研究，由于在燃烧与爆炸方面的出色成绩，获美国国防委员会颁发的科学研究与发展成就奖。
1945年抗日战争胜利，卢嘉锡决定回国报效，鲍林得知后极力劝留“如果能回到加州理工学院工作，可为他提供300美元的月薪”“完全开放盖茨—克列林化学研究实验室和图书资料”。面对如此丰厚的生活待遇和优越的科研条件，他不为所动，毅然决然回国。1945年11月21日傍晚，他登上开往祖国的轮船，临行前时任管理中英庚款董事会董事长朱家骅询问他今后的打算，他果断地回答：“回国从事教育科研，报效祖国。
1946年1月，卢嘉锡受聘于母校厦门大学化学系教授兼系主任，并受聘于浙江大学，开启报效祖国的征程。
1960年，任福州大学副校长和福建物质结构研究所所长，从系科布局、课程设置、图书订阅、科研设备购置、师资聘任到组织管理，他付出了大量心血。1966年，“文化大革命”爆发，他是第一批被揪斗的“走资派”之一，经过无数次的揪斗之后他被罢免了一切职务，被作为劳动改造对象，派到实验室洗烧杯，整理桌椅，搬设备，搞卫生，刷洗厕所。1969年，在周恩来的关心下，福州大学“支左”领导宣布解除对卢嘉锡的批斗，准许他回到岗位做些科研工作。
1972年后，卢嘉锡着手恢复福建物质结构研究所的科研队伍和设备，指导结构化学、晶体材料、催化及金属腐蚀与防护等学科领域的研究工作。他提出固氮酶活性中心的结构模型，对我国原子簇化学的发展起了重要推动作用；他指导新技术晶体材料科学研究走独立自主创新道路，提出了“结构敏感功能”的创新思想，以非线性光学等功能材料作为主要研究对象，成功研制出BBO、LBO等紫外倍频晶体。被国际学术界誉为中国人按自己的科学思想创造出的最优秀“中国牌”。
1981年5月，卢嘉锡出任中国科学院院长，主席团主席、成员。1998年3月，当选为全国政治协商会议第九届全国委员会副主席。1993年3月，当选为第八届全国人民代表大会常务委员会副委员长。
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