1898年7月16日，生于上海縣唐家弄一書香門第。名鸿眷，字企荪。 曾祖蔼臣公在清朝道光年间当过官。祖父叶佳镇曾获得国子监簿街封赏，官至五品。父亲叶景澐是1894年甲午江南乡试第15名举人，曾任敬业学堂校长、清华学堂国文教员、上海教育会会长等职务。

1907年，到父亲主持的上海敬业学堂读书。

1911年初，清政府将游美学务处改为清华学堂，叶鸿眷报考清华学堂获得录取，成为清华学堂的第一批学生中的一员。

1911年10月，因武昌起义爆发，清华学堂停课，叶鸿眷转读江南制造局兵工中学。

1913年夏，清华学堂在上海恢复招生。叶鸿眷改名叶企孙，再次报考并被录取。

1918年6月，毕业于清华学校毕业，到美国芝加哥大学学习物理。

1920年，获物理学学士学位。

同年9月，入读哈佛大学研究生院攻读博士学位，导师是诺贝尔奖得主、高压物理创始人珀西·布里奇曼。

1921年，在美国国家科学院院刊上发表论文《用X射线法重新测量辐射常数h》。

1923年，在导师珀西·布里奇曼指导下，测量流体静压力对铁磁材料磁化率的影响，研究成果作为他的博士论文于1925年发表。

1923年6月，获得哈佛大学物理学博士学位，10月到欧洲旅游。

1924年3月回到上海。

1924年4月，获任国立东南大学（1928年改为中央大学，1949年改名南京大学）物理系副教授，其间经东大化学系教授任鸿隽介绍加入中国科学社，担任《科学》杂志编辑。

1925年，清华学校创立大学部，他应聘物理学副教授，把刚从东南大学毕业的赵忠尧、施汝为带到清华担任助教。

1926年，清华学校大学部调整，开设学系。叶升为正教授并继梅贻琦担任物理系主任。

1929年，清华大学理学院成立，出任理学院院长，被推举为决定学校重大政策的7位评议员之一，此后一直是清华大学的核心领导人物之一。

1926年到1937年间，叶企孙先后聘请熊庆来、吴有训、萨本栋、张子高、黄子卿、周培源、赵忠尧、任之恭等著名教授到清华任教。叶企孙以比自己的薪水还高的薪水将聘请吴有训。另仅有初中文凭，由熊庆来提携的华罗庚，也是在叶企孙的支持下进入清华。

抗日战争爆发后，逃到天津租界，协助学校人员转移到重庆。叶企孙的得意学生熊大缜到由中共领导的冀中抗日根据地,主持军工生产。后因失言被诬陷为特务，由晋察冀军区“锄奸队”（軍區時任政治部主任舒同。）秘密逮捕并由康生指揮处决，由于当时子弹奇缺，被用石头砸死。

叶企孙到达后方后出任西南联合大学教授、西南联大理学院院长。

1946年，中华民国选拔优秀学生到美国深造，在叶企孙的支持下，西南联大理学院的名额分配给本科尚未毕业的李政道。

1948年，當選為中央研究院第一屆院士。

1949年春，解放军和平入城，叶企孙出任清华大学校务委员会主任。

1952年中国高等院校院系调整，叶企孙被调入北京大学。作为中国物理学会的创始人之一，数次出任副理事长、理事长。

1955年，当选为中国科学院数学物理学部学部委员。他也数次为熊大缜案提议平反，有人认为这实际上导致其在文革中受到迫害。

1967年6月，作为“反革命分子”被北大红卫兵揪斗、关押、停发工资，并送往“黑帮劳改队”。叶曾一度精神失常，产生幻听。

1968年4月，中央军委办公厅正式对叶发出逮捕令，连续八次对其进行审讯，迫其多次书写“笔供”。

1969年11月，因为缺乏实质证据，叶被释放回到北大居住，但仍以“中统特务嫌疑”受隔离审查。政府发给叶企孙每月50元生活费。这时他两脚肿胀，前列腺肥大，小便失禁，身体弯成90度。

1972年5月，北京大学对他作出“敌我矛盾按人民内部矛盾处理”的结论；6月恢复其教授待遇。赵元任、任之恭、林家翘、戴振铎、杨振宁等人回国时提出要探望叶企孙，均被政府拒绝。

1975年，隔离审查解除，1976年春节陈岱孙、吴有训、王竹溪、钱伟长等人方有机会探访他。

1977年1月13日21时30分，叶企孙去世。后葬于上海福寿园海港陵园。