茅以升祖父茅谦为举人，曾创办《南洋官报》，是镇江市的名士。茅以升出生不久，全家迁居南京。茅以升从小好学上进，善于独立思考。

6岁读私塾，7岁就读于1903年在南京创办的国内第一所新型小学——思益学堂，1905年进入江南商业学堂。

茅以升10岁那年，过端午节，家乡举行龙舟比赛，看比赛的人都站在文德桥上，而他因为肚子疼所以没有去。桥上由于人太多把桥压塌了，砸死、淹死不少人。这一不幸事件沉重地压在茅以升心里。他暗下决心：长大了一定要造出最结实的桥。从此，茅以升只要看到桥，不管它是石桥还是木桥，他总是从桥面到桥柱看个够。茅以升上学读书后，从书本上看到有关桥的文章、段落，就把它抄在本子上，遇到有关桥的图画就剪贴起来，时间长了，足足积攒了厚厚的几本……

1916年毕业于交通部唐山工业专门学校（即唐山交通大学，现为西南交通大学）。参加清华留美官费研究生考试，以第一名录取留洋。

1917年获美国康乃尔大学硕士学位（桥梁专业）。

1919年获美国卡耐基理工学院（现为卡内基梅隆大学）博士学位，是该校的第一位工科博士。

1916年从交通部唐山工业专门学校毕业后，被清华学堂官费保送赴美留学。1917年获美国康奈尔大学土木专业硕士学位，并荣获康奈尔大学优秀研究生“斐蒂士”金质研究奖章。因茅以升成绩特优，从此康奈尔大学免试接收唐山交通大学*（今西南交通大学）的毕业生，为中国的大学特别是母校赢得了荣誉。1921年获美国卡内基·梅隆大学大学工学院工学博士学位。其博士论文《桥梁桁架的次应力》的科学创见，被称为“茅氏定律”，并荣获康奈尔大学优秀研究生“斐蒂士”金质研究奖章 。

1920年回国后至1930年，历任交通大学唐山学校（今西南交通大学）教授、副主任，国立东南大学教授、工科主任，南京河海工科大学校长，交通部唐山大学（今西南交通大学）校长。

1930年至1931年任江苏水利局局长，1934年至1937年任浙江省钱塘江桥工程处处长（挂此职到1949年），在自然条件比较复杂的钱塘江上主持设计、组织修建了一座全长1453米，基础深达47.8米的双层公路铁路两用钱塘江大桥。大桥于1937年9月26日建成通车，这是中国人自己设计和施工的第一座现代钢铁大桥，是中国桥梁工程史上一座不朽的丰碑。1937年12月23日，为了阻止日军攻打杭州，茅以升亲自参与了炸桥。抗日战争胜利以后，茅以升又受命组织修复大桥，1948年3月，大桥修复通车。

1937年至1942年任国立交通大学唐山工程学院（今西南交通大学）代院长、院长。

1942年至1943年任交通部桥梁设计工程处处长。

1943年至1949年任中国桥梁公司总经理。

1943年当选中华民国教育部部聘教授。

1948年当选中央研究院院士。

1949年至1952年任由母校唐山工学院（今西南交通大学）和北平铁道管理学院（今北京交通大学）组建的中国交通大学（1950年改称北方交通大学）校长。

1951年至1981年任铁道技术研究所所长、铁道科学研究院院长。

1955年选聘为中国科学院院士（学部委员）。

1959年在北京十大建筑的建设中，担任人民大会堂结构审查组组长，并为周恩来总理指定为设计方案最终审定签字负责人。

1955至1957年主持设计了武汉长江大桥，1955年至1957年，茅以升任武汉长江大桥技术顾问委

员会主任委员，他又接受修建我国第一座跨越长江的大桥———武汉长江大桥的任务。

1977年主持设计了重庆石板坡长江大桥。1982年当选美国国家工程院外籍院士 。

1989年11月12日病逝于北京，享年93岁。