家，辛亥革命烈士王卓之子。王天眷早年曾就读于黄岩县立中学。1932年起就读于上海交通大学，后转入电机系，但因为参加学生运动而被开除。1934年考入清华大学物理系，1938年毕业。期间于1936年加入中国共产党。毕业后历任清华大学无线电学研究所助教、重庆大学电机系讲师、空军通信学校教官与教授科长等职。1947年前往美国留学，先后获俄亥俄州立大学物理学硕士、哥伦比亚大学物理学博士学位。在美国期间，他还曾在哥伦比亚大学辐射研究所、美国标准研究公司、美国立脱尔公司（Arthur D. Little）研究所等