Ученый-астрофизик. Родился в Тифлисе 5 (18) сентября 1908 года в армянской семье. В 1924 году поступил на физико-математический факультет Ленинградского педагогического института. В 1926 году, учась уже в Ленинградском университете,  опубликовал первую научную работу, посвященную солнечным факелам. В годы учёбы входил в число корреспондентов-наблюдателей Русского общества любителей мироведения, не являясь формально его членом. По окончании университета он поступил в аспирантуру при Пулковской обсерватории, где работал под руководством А. А. Белопольского с 1928 по 1931 год.

После окончания аспирантуры Амбарцумян работал в Ленинградском университете, где в 1934 году основал и возглавил первую в СССР кафедру астрофизики. В 1939—1941 годах был директором обсерватории Ленинградского университета. В 1941 году, будучи проректором Ленинградского университета, возглавлял исследовательский филиал университета в городе Елабуга, куда были эвакуированы научные лаборатории университета.

Член-корреспондент Академии наук СССР (1939), академик Академии наук СССР (1953).
В 1943 году была создана Академия наук Армянской ССР. Амбарцумян был назначен её вице-президентом, а президентом стал И. А. Орбели. В 1947 году Амбарцумян был избран президентом Академии наук, после чего избирался президентом на все сроки до 1993 года. С 1993 года он стал почётным президентом Национальной Академии Наук Армении.
В 1946 году была основана Бюраканская астрофизическая обсерватория. Амбарцумян стал её первым директором и продолжал руководство обсерваторией до 1988 года.
Президент Международного астрономического союза (1961-1964). Дважды был избран президентом Международного Совета научных союзов (1966-1972).

Заслуженный деятель науки Армянской ССР (1940). Заслуженный деятель науки Грузинской ССР (1968).

Дважды Герой Социалистического Труда (1968, 1978),  Национальный Герой Армении (11 октября 1994), лауреат Сталинской премии второй степени (1946) за создание новой теории рассеяния света в мутных средах и Сталинской премии первой степени (1950) за открытие и изучение нового типа звёздных систем («звёздных ассоциаций»), Государственной премии Российской Федерации (1995) за цикл работ «Построение динамики звездных систем», награжден пятью орденами Ленина (1945, 1958, 1968, 1974, 1978),  орденом Октябрьской Революции (16 сентября 1983), двумя орденами Трудового Красного Знамени (21 февраля 1944, 1953), орденом «Знак Почёта», орденом Почёта (23 декабря 1988), орденом «Кирилл и Мефодий» 1 степени (НРБ), большой золотой медалью имени М. В. Ломоносова Академии наук СССР (1971). Удостоен золотых медалей Тихоокеанского (медаль Кэтрин Брюс[3]) и Британского королевского астрономических обществ, Золотой медали Словацкой академии наук, медали имени Жансена Французского астрономического общества, медали имени Гельмгольца Германской академии наук в Берлине.
Его именем названа малая планета (1905 Ambartsumyan), открытая Т. М. Смирновой 14 мая 1972 года в Крымской астрофизической обсерватории и Бюраканская астрофизическая обсерватория.

Скончался 12 августа 1996 года, похоронен в Бюракане, недалеко от башни большого телескопа.

Указом президента Армении учреждена международная научная премия имени астрофизика Виктора Амбарцумяна. Премия присуждается за выдающуюся научную работу в астрофизике, а также в примыкающих к ней сферах физики и математики, независимо от гражданской принадлежности ученого. Премия присуждается один раз в два года; первым годом присуждения премии стал 2010 год. Размер премии — 500 тысяч $