1935年7月24日，田长霖出生于武汉汉口，祖籍武汉黄陂(今湖北武汉黄陂区)[6][7]，是家中的第六个孩子，取名长霖，意为天降甘霖。1939年，七七事变发生后，逃难至上海法国租界，1945年秋，进入上海市位育中学就读。

1949年，淮海战役开打后，田长霖随一部分家人疏散到柳州，并在当地就读高中。同年4月撤退至台湾，7月进入台北市立建国高级中学[9]。
1951年，从建国中学毕业，以高考机械工程科优等第一名的成绩，考取台湾大学机械工程学系。1955年从台湾大学毕业，进入陆军官校预备军官训练班第四期。
1956年，毕业后获得全额奖学金前往美国肯塔基州路易斯维尔大学读书。

1957年，取得路易斯维尔大学机械工程硕士学位，之后用一年半时间攻下了博士学位。1959年，在普林斯顿大学取得文学硕士以及机械工程博士。
1960年，进入加利福尼亚大学伯克利分校机械工程系，担任助理教授;1964年，担任副教授;1968年，担任教授。1969年，担任加利福尼亚大学伯克利分校热系统工程系主任(1969-1972)。

1976年，40岁时当选为美国国家工程院院士。1981年，被聘为中国科学院工程热物理研究所名書研究教授。
1983年，担任加利福尼亚大学伯克利分校研究副校长(1983-1985)。1987年，担任加利福尼亚大学伯克利分校马丁柏林讲座教授。
1988年，担任加利福尼亚大学尔湾分校执行副校长、杰出教授(1988-1990);同年当选中央研究院第17届数理组院士。1998年，接受香港特首委任为创新科技委员会主席。
1990年7月1日，从258名候选人中脱颖而出，成为加利福尼亚大学伯克利分校122年历史上、也是美国有史以来的第一位华裔及亚裔大学校长。
1994年，被选为中国科学院外籍院士。1997年6月，向加大总校长艾金逊辞去校长职务，任期满7年。
2000年6月，当选为中国工程院外籍院士[17];9月，田长霖被诊断出脑肿瘤，手术后中风瘫痪。2001年6月30日，退休。
2002年，获香港特别行政区政府授予大紫荆勋章，以表彰他积极促进香港创新及科技发展，并被《亚裔杂志》评选为美国十年来最具影响力的亚裔人士之-。10月29日，田长露因中风并发症在加州红杉城病逝。