旧制第一高等学校。因就读一高期间受到汤川秀树在理论物理学方面的启发，他进入东京帝国大学（1947年起更名为东京大学）理学部物理系学习，于1942年和1952年分别获得学士和博士学位，期间参与了朝永振一郎研究室的研究。1949年，南部阳一郎被朝永推荐至大坂市立大学担任副教授，次年升为教授，当时年仅29岁。同期共事的还有西岛和彦、中野董夫等人，他们日后都曾名列诺贝尔奖候选人。1952年，南部应邀赴美，到普林斯顿高等研究院进行访问研究。1956年起，任芝加哥大学副教授，1958年升任教授。1974年至1977