台灣高雄人，民國 33 年生於旗山。國立政治大學教育系、教育心理學研究所畢業，1973年美國賓州州立大學認知心理學博士。博士論文〈由資訊傳遞的模式探討人類記憶系統在登錄經驗與自動化推理的兩種運作方式〉榮獲American Institute for Research頒發的Creative Talent Award榮譽獎章。

1972年應聘俄亥俄州立大學心理學系任教，主要的教學與研究領域是認知心理學與記憶系統的分析。1974年，轉往加州大學河濱校區任教，1981年升為正教授，並建立研究中心，專事研究文字組合規則與閱讀歷程的關係，同時進行認知心理的實驗，對失語症與失讀症病人的語言行為做實證檢視，導出語言與腦神經組合的理論。三篇主要的論文先後刊登在學界最權威的 "Nature" 上，這是心理學領域的榮譽，也促成漢語文神經語言學的創立與發展。1981迄今在加州聖地牙哥的 The Salk Institutes for Biological Studies擔任客座研究科學家。並曾擔任加州大學柏克萊校區語言學系及耶魯大學Haskins Laboratories的客座副教授及客座研究員，以及國立台灣大學心理系和中央研究院歷史語言研究所的客座教授。1990年回到台灣，並建立了台灣第一個認知科學研究中心，並擔任社會科學院院長；1997年8月轉任國立陽明大學副校長兼通識教育中心主任；1999年經教育部遴選為國立陽明大學校長，於同年7月正式接任陽明大學第三任校長；並於2000年5月20日入閣擔任教育部長；於2002年2月起至2006年10月擔任中央研究院副院長，負責推動國內外跨領域學術研究合作及國際研究生學程(TIGP)；自2006年11月起接任台灣聯合大學系統(University System of Taiwan, UST)之系統校長職務。

在促進東南亞地區的學術發展上，曾任香港中文大學教育學院及心理學系的校外考核委員，也擔任過新加坡國立教育學院的校外考核委員。曾發表過上百篇學術論文，刊登在重要的科學期刊上，也為牛津大學出版的《國際語言學百科全書》主持有關神經語言學方面的撰稿與選稿事宜，是第一位International Association for the Study of Attention and Performance的Council members中的華人心理學者，目前並擔任國際上語言學、心理學及認知科學主要期刊的編輯委員。1992年榮獲教育部國家學術獎，1993年獲美國加州科學工程委員會頒贈科學貢獻獎，同年被選為國家科學委員會的傑出講座教授；也曾獲得國科會的傑出論文獎、財團法人傑出人才發展基金會傑出人才獎。並於1994年7月當選中央研究院第二十屆院士。2002年榮獲中國工程師學會頒發傑出貢獻獎，2003年榮獲斐陶斐榮譽學會頒發傑出服務獎，同(2003)年亦獲選為美國心理學會會士(Fellow of American Psychological Society)，為台灣第一位獲選的心理學家。2006年5月獲選為國際科學理事會(International Council for Science)「科學行為自由與責任委員會」 (Member of the ICSU Committee on Freedom and Responsibility in the conduct of Science)委員，該委員會對「科學普世性原則」之樹立，發揮監督及提供諮詢之功能，並闡揚科學家追求科學研究自由之權利及伴隨而來之責任。

自1990年回台成立第一個認知科學研究中心起，致力建造腦科學與認知的研究平台，目前正在整合各種與腦研究相關的儀器設備與研究團隊，推展台灣腦科學的研究。除了學術研究之外，對於社會的公與義，亦赴湯蹈火熱情未減。也長期關注科學教育之推動，在教學研究之餘，經常從事科學專文與科普雜文的寫作，被喻為最會說故事的科學人，以＜科學人觀點＞榮獲2004年雜誌專欄寫作金鼎獎。著有《《用心動腦話科學》》、《《人人都是科學人》》、《《見人見智》》、《《科學向腦看》》等書。