幼年时的朱光亚，跟随父母从宜昌经沙市迁回汉口。1931年后在汉口第一小学、圣保罗中学学习。1938年，抗战爆发后的第二年，刚刚初中毕业的朱光亚和两个哥哥被迫转移到四川。先后就读于合川崇敬中学、江北清华中学、重庆南开中学。1941年重庆南开中学毕业。 在南开中学的一年半，朱光亚受益于数学、物理、化学老师的教育、培养，开始对自然科学有了美好的憧憬；特别是魏荣爵老师（南京大学教授、中国科学院院士）讲授的物理学，使他产生了浓厚的兴趣。1941 年他考入国立中央大学物理系。讲授大学一年级普通物理学的是刚从美国留学回来的赵广增教授（抗战胜利后任北京大学教授、物理系主任）。赵教授深入浅出的讲课和介绍学科前沿的课外辅导，使朱光亚受到物理学科新发展的熏陶。
1942年夏天，当时昆明西南联合大学在重庆招收大学二年级插班生。在朱光亚几位南开校友的关心和帮助下，他报名应试，顺利地转学西南联大。从大学二年级起他先后受教于周培源、赵忠尧、王竹溪、叶企荪、饶毓泰、吴有训、朱物华、吴大猷等教授。众多名师的栽培，使朱光亚学业有了较坚实的基础。1945年抗日战争胜利时，他从物理系毕业后留校任助教。