Nasceu em 12 de setembro de 1910, no Rio de Janeiro, filho de Carlos Ribeiro Justiniano Chagas e Iris Lobo Chagas. Em 1926 ingressou na Faculdade de Medicina da Universidade do Rio de Janeiro, onde se formou em 1931. Ainda como estudante estagiou, em sucessão, nos laboratórios de José da Costa Cruz, Miguel Ozório de Almeida e Carneiro Felippe, do IOC. Entre 1933 e 1934 frequentou o Curso de Aplicação do IOC. Foi efetivado em 1932 como assistente da cátedra de anatomia patológica e em 1935 foi aprovado em concurso para livre-docência da cátedra de física biológica daquela Faculdade. Ainda neste ano casou-se com Anna Leopoldina de Mello Franco, tendo quatro filhas: Maria da Glória, Silvia Amélia, Anna Margarida e Cristina Isabel. Em 1937 alcançou a cátedra de física biológica da Faculdade Nacional de Medicina da Universidade do Brasil. A partir desta, criou em 1945 o Instituto de Biofísica, que hoje leva seu nome, e do qual foi diretor entre 1946-1964 e 1970-1973. Ali, no âmbito pioneiro de um instituto universitário de pesquisas, introduziu métodos e técnicas da física e da físico-química no estudo de fenômenos biológicos. Com a morte do irmão Evandro Chagas em 1940, retornou ao IOC como superintendente interino do Serviço de Estudo das Grandes Endemias (1941-1942). Em 1946 obteve o grau de doutor em ciências pela Universidade de Paris ao apresentar a tese “Quelques aspects de l’électrogénèse chez l’Electrophorus electricus”. De 1951 a 1955 foi diretor do Setor de Pesquisas Biológicas do Conselho Nacional de Pesquisas e membro de seu Conselho Deliberativo entre 1952 e 1960. No panorama internacional, foi delegado brasileiro nas I, II, XIII, XIV, XV Conferências Gerais da Unesco (1946, 1947, 1964, 1966 e 1968), membro do Comitê Assessor de Pesquisas Médicas da Organização Mundial da Saúde (1951-1962 e 1971-1973), vice-presidente e presidente da I e II Sessão do Comitê Científico das Nações Unidas sobre os Efeitos das Radiações Atômicas (1956), secretário-geral da I Conferência das Nações Unidas para a Aplicação da Ciência e da Tecnologia ao Desenvolvimento (1963), membro do Comitê Consultivo para a Aplicação da Ciência e da Tecnologia ao Desenvolvimento, do Conselho Econômico e Social das Nações Unidas (1964-1980), embaixador e chefe da Delegação Permanente do Brasil junto à Unesco (1966-1970). De 1964 a 1966 foi diretor da Faculdade de Medicina e de 1973 a 1977, decano do Centro de Ciências Médicas da Universidade Federal do Rio de Janeiro. Integrou a Academia Brasileira de Ciências (1941), a Academia Nacional de Medicina (1959), a Academia Brasileira de Letras (1974), a Academia de Ciências da América Latina (1982) e a Academia de Ciências do Terceiro Mundo (1983). Membro da Academia Pontifícia de Ciências do Vaticano em 1961 foi seu presidente durante quatro mandatos consecutivos, entre 1972 e 1988, onde se destacou no processo de reabilitação de Galileu Galilei, na datação do Santo Sudário e na elaboração de documento contra a utilização da energia nuclear para fins não pacíficos. Morreu em 16 de fevereiro de 2000, no Rio de Janeiro.