Il est ancien élève de l'École polytechnique (promotion 1958) et docteur d’État en physique (1967). Il a passé toute sa carrière comme physicien théoricien au CEA (Département de physique théorique des particules élémentaires).
Depuis 1998, il poursuit des recherches en philosophie des sciences et sur la physique quantique. Il contribue en particulier à faire connaître et faire étudier l’œuvre du philosophe Ferdinand Gonseth, avec le concept d'horizon attaché à la connaissance, philosophique ou scientifique. Il a donné de nombreux cours[1] et conférences[2],[3], notamment dans le cadre de ses travaux au sein du LARSIM.
Il est le frère de Claude Cohen-Tannoudji et est marié à Jeanine (Maggy) Bijard. Les deux ont cinq enfants : Evelyne, Denis, Rémi, Laetitia et Mathilde. Son fils, Denis, a retracé l'histoire de la famille Cohen-Tannoudji, du Moyen Âge à nos jours[4].
Il travaille depuis 2015 sur la nature de l'énergie et de la matière sombre[1].