1964毕业于复旦大学物理二系放射化学专业。1980年至1982年获洪堡基金资助，在德国科隆大学从事核技术的应用研究。其后，曾在美国Purdue大学、法国Strassburg核研究中心、荷兰Delft大学、ECN能源研究中心、东京都立大学等地短期工作。2007年当选为中国科学院院士。

柴之芳院士长期从事放射化学和核分析方法研究，建立了多种元素的先进放射化学分离流程，并被多家国外实验室采用。倡导并建立了可研究元素化学种态的中子活化方法，发现了一些与生物灭绝事件有关的异常铱的化学种态；将这类方法发展到生物环境样品，实现了细胞、亚细胞及分子水平的微量元素研究，对一些生物必需元素和有毒元素的生物环境效应给出了科学解释。现从事核能化学和放射医学研究。组织了基金委重大研究计划和多项重大基金项目。共发表SCI论文600余篇，包括Nature及其子刊 , Chem Soc Rev，PNAS，JACS等，中文著作8本，英文5本，在国际重要会议作大会或主旨报告60余次。

曾任或现任国际纯粹与应用化学联合会的领衔委员（Titular Member）、英国皇家化学会会士、以及其他5个国际组织的委员；Radiochimica Acta等4本国际刊物及中国科学等10本国内刊物的编委、副主编或co-editor。

曾获全国科学大会奖、国家自然科学二等奖、国家科技进步二等奖等国家级和部委级奖9项。2005年获国际放射分析化学和核化学领域的最高奖-George von Hevesy奖, 是发展中国家第1个获奖人。2014年获汤森路透以及近年多次爱思唯尔高被引科学家称号。