1967-ben érettségizett, majd felvették a Kossuth Lajos Tudományegyetem Természettudományi Kar fizikus szakára. 1969-ben átment az Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar fizikus szakára, ahol 1972-ben szerzett diplomát. Ennek megszerzése után az ELTE TTK atomfizikai tanszékén kezdett el dolgozni, eközben hosszabb időt töltött az Amerikai Egyesült Államok több egyetemén (például a berkeleyi Kaliforniai Egyetemen vagy a chicagói Illinois-i Egyetemen). 1987-ben kapott egyetemi tanári kinevezést az ELTE atomfizikai tanszékére. Az egyetemen 2007-ben alakult nemzetközi asztrofizikai kutatóiskola oktatója. Ezenkívül a baltimore-i Johns Hopkins Egyetem professzora is lett.
1986-ban védte meg a fizikai tudomány kandidátusi, majd akadémiai doktori értekezését. Az MTA Űrkutatási Komplex Bizottságának lett tagja, később elnöke, valamint a Csillagászati és Űrfizikai Bizottságba is bekerült. 1990-ben megválasztották a Magyar Tudományos Akadémia levelező tagjává. Az Amerikai Tudományos és Művészeti Akadémia is felvette rendes tagjai sorába. Tagja emellett a Nemzetközi Elméleti és Alkalmazott Fizikai Szövetség (IUPAP) magyar nemzeti bizottságának, valamint igazgatója a Amerikai Nemzeti Virtuális Obszervatóriumnak.
Fő kutatási területe az asztrofizika, a galaxisok keletkezése és a kozmológia.
Kutatásaiban a csillagászat számítástudományi alkalmazásaival is foglalkozik: nevéhez fűződik például az egyik legnagyobb kozmológiai adatbázis, a Sloan Digital Sky Survey tudományos archívumának megalkotása. A Virtual Observatory vezetőjeként arra törekszik, hogy általánosítsa, illetve standardizálja a csillagászatban az új generációjú terabájt-méretű adatbázisokat, a kezelés és az adatgyűjtés hatékonyságának javítása érdekében. Számos munkát adott ki a galaxisok keletkezése terén, ahol az eloszlás és a tágulás, bővülés témakörével foglalkozik.
Több mint háromszáznegyven tudományos publikációs szerzője vagy társszerzője, amelyek elsősorban külföldi folyóiratokban jelentek meg. E munkák az elméleti kozmológiától a megfigyelési csillagászaton át számítástudományi kérdéseket ölelnek fel. Munkáit elsősorban angol nyelven adja ki, de publikál magyarul is.
Családja
Nős, házasságából egy fiúgyermek született. Édesapja Szalay Sándor atomfizikus, az MTA tagja volt.