呂應(yīng)中先生于1926年出生于南京，祖籍江蘇丹陽(yáng)。其父親呂澄（又寫(xiě)作呂溦，原名呂渭)與伯父呂鳳子、堂叔呂叔湘并稱為江東丹陽(yáng)的呂氏三杰。呂先生是家中長(zhǎng)子，和二弟呂應(yīng)山、三弟呂應(yīng)運(yùn)都是清華大學(xué)畢業(yè)并留校任教。

丹陽(yáng)呂氏家族人才輩出，比如呂去疾（蘇南丹陽(yáng)藝術(shù)師范校長(zhǎng)，呂鳳子的長(zhǎng)子）、呂去病（我國(guó)第一代彈藥火箭專家、第一屆全國(guó)人大代表，呂鳳子的次子）、呂敏（中國(guó)科學(xué)院院士，呂叔湘的長(zhǎng)子）等。

呂先生的童年在南京度過(guò)，后來(lái)因日本侵華戰(zhàn)爭(zhēng)，全家遷居到重慶江津。由于日本飛機(jī)經(jīng)常轟炸重慶，先生自小就立志要學(xué)習(xí)造飛機(jī)，“航空救國(guó)”。高中畢業(yè)時(shí)因病休學(xué)兩年。

呂應(yīng)中于1946年考入清華，1950年在機(jī)械系畢業(yè)。就學(xué)期間，他開(kāi)始接觸新民主主義思想，擔(dān)任學(xué)習(xí)委員為同學(xué)辦壁報(bào)，討論青年人的問(wèn)題和國(guó)家大事。1948年成為中共地下黨黨員，在迎接清華解放過(guò)程中保護(hù)機(jī)械系系館，并參與了學(xué)校的恢復(fù)供電工作。1949年10月1日，與錢(qián)偉長(zhǎng)等師生參加了開(kāi)國(guó)大典的清華大學(xué)游行隊(duì)伍。

因在機(jī)械系真心實(shí)意地為校內(nèi)同學(xué)服務(wù)，被大家推選為清華大學(xué)學(xué)生會(huì)第1 屆主席。任職期間，一周保證學(xué)習(xí)60小時(shí)，做到學(xué)習(xí)與工作兩不誤。

1950年大學(xué)畢業(yè)后，呂應(yīng)中留機(jī)械系任理論力學(xué)助教。1952年，經(jīng)蔣南翔校長(zhǎng)親自指定，任教務(wù)處教學(xué)研究科科長(zhǎng)，協(xié)助教務(wù)長(zhǎng)進(jìn)行專業(yè)設(shè)置、編教學(xué)計(jì)劃、組織速成俄文學(xué)習(xí)、與蘇聯(lián)教材翻譯和教學(xué)方法研究等方面的工作。1955年清華大學(xué)開(kāi)展科學(xué)研究工作，他又轉(zhuǎn)任科學(xué)處科學(xué)研究科長(zhǎng)，協(xié)助留蘇歸國(guó)的博士處長(zhǎng)高景德教授進(jìn)行科研選題和項(xiàng)目管理。

1956年調(diào)工程物理系負(fù)責(zé)籌建原子反應(yīng)堆專業(yè)，任教研組主任兼副系主任，并負(fù)責(zé)“240”反應(yīng)堆教研組的工作。 1958年呂應(yīng)中等青年教師領(lǐng)導(dǎo)了2兆瓦游泳池式實(shí)驗(yàn)核反應(yīng)堆（屏蔽試驗(yàn)反應(yīng)堆）的設(shè)計(jì)工作，清華多系的學(xué)生參加。人員的平均年齡僅23歲半。1960年該項(xiàng)目獲批準(zhǔn)，工程于當(dāng)年下半年開(kāi)始動(dòng)工，于1964年建成。反應(yīng)堆于1964年10月1日達(dá)到臨界，它是我國(guó)自行設(shè)計(jì)建造的首批反應(yīng)堆之一。

1965年開(kāi)始，呂應(yīng)中研究發(fā)展各種新型核反應(yīng)堆，包括一體化船用動(dòng)力堆和釷增殖堆，包括液態(tài)金屬燃料，熔鹽燃料，及高溫氣冷堆等。自1960-1995先后任核能技術(shù)研究所總工程師兼副所長(zhǎng)、所長(zhǎng)、及清華大學(xué)教授，翻譯了原子能方面的教材與專著十余冊(cè)，并培養(yǎng)了國(guó)內(nèi)第一代原子反應(yīng)堆本科與博士生。

1980年參與創(chuàng)建中國(guó)能源研究會(huì)，任副理事長(zhǎng)兼秘書(shū)長(zhǎng)，并在國(guó)內(nèi)推動(dòng)研究溫室氣體排放引起全球氣候變化以及能源規(guī)劃及能源系統(tǒng)分析等新領(lǐng)域。

1985年在清華建立跨系的全校 “技術(shù)經(jīng)濟(jì)與能源系統(tǒng)研究所”并任所長(zhǎng)，參與合作發(fā)明深水池低溫核供熱堆。1988年應(yīng)邀赴美國(guó)進(jìn)行能源政策及經(jīng)濟(jì)理論方面的合作研究，并合作培養(yǎng)清華的博士研究生。

1990年后在美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室老所長(zhǎng)溫伯格指導(dǎo)下，探索 “固有安全”動(dòng)力堆（含常壓下運(yùn)行的熔鹽堆與液態(tài)金屬堆）在中國(guó)條件下的應(yīng)用。

2000年后向中美兩國(guó)提出核能及天然氣方面的5項(xiàng)專利，包括由包覆顆粒燃料（熱中子堆）及空心球型元件（快中子增殖堆）與高沸點(diǎn)載熱劑構(gòu)成流化床的兩種滿功率自然循環(huán)固有安全反應(yīng)堆專利。在美期間還編寫(xiě)與出版了向國(guó)外介紹中國(guó)1980-2000年間第一部運(yùn)用科學(xué)方法制定的能源政策的英文專著“Fueling One Billion”，被推薦為國(guó)外研究中國(guó)能源問(wèn)題的必讀書(shū)及研究生參考教材。2011年進(jìn)一步將自然界20億年前天然安全反應(yīng)堆的物理過(guò)程原理應(yīng)用于人工核能，提出天然安全“熱核泉”增殖堆方案。

撰有論文《我國(guó)能源預(yù)測(cè)與核能地位》、《可選擇的核能戰(zhàn)略與高溫氣冷堆》等，主譯《原子核反應(yīng)堆工程原理》等。

曾任清華大學(xué)學(xué)生會(huì)主席（第1 屆，1949年4月29日當(dāng)選，任期至當(dāng)年10月）。

擔(dān)任過(guò)清華大學(xué)教授、工程物理系副主任、核能技術(shù)研究所所長(zhǎng)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)與能源系統(tǒng)分析研究所所長(zhǎng)、校務(wù)委員會(huì)副主任，國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)第二屆學(xué)科評(píng)議組成員，中國(guó)核學(xué)會(huì)第一屆常務(wù)理事，中國(guó)能源研究會(huì)第一、二屆副理事長(zhǎng)。

1972年1月至1976年10月，擔(dān)任清華大學(xué)革命委員會(huì)副主任。

1988-2010年曾先后擔(dān)任過(guò)聯(lián)合國(guó)開(kāi)發(fā)署、環(huán)境署及世界銀行聯(lián)合創(chuàng)建的“全球環(huán)境基金”、美國(guó)國(guó)會(huì)發(fā)展中國(guó)家能源研究專項(xiàng)、及亞洲開(kāi)發(fā)銀行能源及環(huán)境問(wèn)題的顧問(wèn)。