Закончил физический факультет МГУ в 1963 году, с того времени до 1983 года работал в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ, г. Дубна). Защитил докторскую в 1971 году. Утвержден в звании профессора (1985). Член-корреспондент Российской академии наук (РАН) по Отделению ядерной физики с 31 марта 1994 года. Состоит в Отделении ядерной физики РАН, с 1983 года начальник лаборатории теории квантовых процессов и начальник отдела теоретических исследований Института молекулярной физики РНЦ «Курчатовский институт». Руководитель Автономной некоммерческой организации Координационно-исследовательский центр по проблеме мюонного катализа и экзотических квантовых систем (МЮКАТЭКС). Лауреат премии имени И. В. Курчатова (1986). Лауреат премии «Просветитель» 2009 года за книгу «Под знаком кванта».
Им был решён «общий случай задачи двух центров квантовой механики и обнаружено явление конфигурационного взаимодействия термов в этой задаче; предложена «модель больших мезомолекул», положившая начало новому направлению исследований — «мезонной химии» (этот цикл исследований признан в 1977 году научным открытием). Ввел новый класс специальных функций — кулоновские сфероидальные функции; создан метод прецизионных вычислений энергии связи систем трех тел; предложен и реализован эффективный метод решения задачи трех тел с кулоновским воздействием; предсказана большая скорость образования мезомолекул dtm; предсказан и описан количественный процесс орто-пара перехода в мезомолекуле rrm; вычислена поляризация вакуума в системе трех тел и найдены поляризационные сдвиги энергий связи мезомолекул; разработана количественная теория явления резонансного образования мезомолекул; построен адиабатический гиперсферический базис в задаче трех тел».
Автор двух известных научно-популярных книг: «По ту сторону кванта» и «Под знаком кванта». Отец отечественного историка-византиниста Андрея Пономарева («Деньги Золотой Орды и Трапезундской империи», «Когда Литва летает или почему история не прирастает трудами А. Т. Фоменко», р. 1957).