赵九章自幼便喜好读书。14岁时，父母再也无力供他上学，他只好到一家小店铺里当学徒。晚上店铺关门后，赵九章就点起油灯，熬夜看书。老板娘怪他浪费灯油，让他赶紧熄灯，不许再看书。

赵九章没办法，只好自己动手，制作了一盏特殊的油灯。他削了几根小小的竹片，做了一个灯罩，然后在上面糊了十几层不透光的纸，只在一边开了一个很小的圆孔。灯光从圆孔里透出蚕豆大小的亮光，只能照亮两三个字。等老板娘睡着后，赵九章就偷偷地借着那么一点灯光，移动着手里的书读起来。就这样，只用了半年多的时间，赵九章就自学完了初中物理课程。

1929年，他以第四名的成绩考入清华大学物理系。后又通过考试，赴德国柏林大学攻读气象学专业，师从气象学家菲克尔。1938年，赵九章获得博士学位，导师菲克尔多次以优渥的科研条件挽留。时值国内抗战局势紧张，日军攻陷徐州，赵九章的家乡河南遭战火摧残。赵九章拒绝导师的挽留，毅然归国赴难。

1938年，赵九章带着科研资料，辗转十余个国家，历经长途跋涉抵达昆明，加入西南联大，任气象学系及航空工程系副教授。当时生活条件艰苦，教授的薪水仅够糊口。即便如此，赵九章仍坚持白天教学与夜晚科研，面对亲友劝其暂避国外的建议，他都是断然拒绝，毫不迟疑。

1957年，苏联发射第一颗人造地球卫星。1958年，毛泽东主席在中共八大二次会议上指出：“我们也要搞人造卫星。”同年8月，负责中国首颗卫星研究制造的581组成立，由钱学森任组长。组织上找赵九章谈话：“交给你一项新任务，要隐姓埋名，要中断所有科研，不能再发表任何文章，你能不能做到？”赵九章的回答很干脆：“只要是国家需要的，我就去做！”就这样，赵九章成为581组副组长，负责卫星研制的各项工作。

同年10月，赵九章率代表团去苏联访问学习。有一天，苏联工作人员将中国代表团成员带到一个仪器面前，告诉他们这就是进入轨道的卫星。赵九章提出想打开看一看内部，却被拒绝。这次苏联之行，让赵九章和他的团队深深意识到中国必须走自力更生的道路，“靠天靠地靠不住，我们要靠自己的力量，必须有自己的卫星”。

当时国内物资短缺，国际上遭遇技术封锁。没有技术、没有资料、没有仪器，赵九章和组员们只能一点点摸索，逐个攻破技术难题。算盘加纸笔、白开水加馒头就是他们的武器。在赵九章女儿的回忆中，那段时间里，她夜里每次醒来，父亲房间的灯都是亮着的。

1965年，人造卫星工程正式立项，赵九章任中国科学院卫星设计研究院院长，成为中国首颗人造卫星的总设计师。10月20日，我国第一颗人造卫星方案论证会召开，赵九章在会上做了卫星设计方案的报告。经过深入细致的论证，最终用4个方案、15万字的专题材料，勾画出这颗承载中国人梦想的人造卫星雏形——直径 1米的近球形72面体，播放《东方红》乐曲，它还有了自己的名字——“东方红一号”。

1968年深秋，赵九章离世，他未能亲眼见证18个月后那束划破苍穹的东方之光。1970年4月24日，“东方红一号”成功发射，带着赵九章的强国之梦，一飞冲天。伴随着几代人成长的《东方红》乐曲传遍世界，中国人从此打开了通向太空的大门。

1999年，赵九章被追授“两弹一星”功勋奖章。2007年，在赵九章诞辰百年之际，一颗由中国科学院紫金山天文台于1982年2月23日发现的国际编号为7811号的小行星被命名为“赵九章星”。同年，国际空间研究委员会与中国科学院联合设立了“赵九章科学奖”，这是国际上首个以中国科学家名字命名的科学大奖。