ولدت في قرية سنبو الكبرى مركز زفتى بـمحافظة الغربية، وهي أول عالمة ذرة مصرية، وأول معيدة في كلية العلوم بـجامعة فؤاد الأول؛ جامعة القاهرة حاليا.
ولدت سميرة موسى في 3 مارس 1917 بقرية سنبو الكبرى، مركز زفتى، محافظة الغربية، مصر. كان والدها يتمتع بمكانة اجتماعية مرموقة بين أبناء قريته، فكان منزله بمثابة مجلس يلتقي فيه أهل القرية ليناقشوا كافة الأمور السياسية والاجتماعية. وقد كان لها من الشقيقات واحدة، ومن الأشقاء اثنان. التحقت سميرة موسى بمدرسة "سنبو" الأولىة، وحفظت أجزاء من القرأن، وكانت مهتمة بقراءة الصحف. انتقل والدها مع ابنته إلى القاهرة من أجل تعليمها، واشتري ببعض أمواله فندقا في حي الحسين حتى يستثمر أمواله في الحياة القاهرية. التحقت سميرة بمدرسة قصر الشوق الابتدائية ثم بمدرسة بنات الأشراف الثانوية الخاصة، والتي قامت على تأسيسها وإدارتها نبوية موسى الناشطة النسائية السياسية المعروفة.
حصلت سميرة على الجوائز الأولى في جميع مراحل تعليمها، حيث كانت الأولى على الشهادة التوجيهية عام 1935، ولم يكن فوز الفتيات بهذا المركز مألوفا في ذلك الوقت، إذ لم يكن يسمح لهن بدخول امتحانات التوجيهية إلا من المنازل، حتى تغير هذا القرار عام 1925 بإنشاء مدرسة الأميرة فايزة، وهي أول مدرسة ثانوية للبنات في مصر.
كان لتفوقها المستمر أثر كبير على مدرستها، حيث كانت الحكومة تقدم معونة مالية للمدرسة التي يخرج منها الأول، مما دفع ناظرة المدرسة نبوية موسى إلى شراء معمل خاص حينما سمعت يوما أن سميرة تنوي الانتقال إلى مدرسة حكومية يتوفر فيها معمل. يذكر عن نبوغها أنها قامت بإعادة صياغة كتاب الجبر الحكومي في السنة الأولى الثانوية، وطبعته على نفقة أبيها الخاصة، ووزعته بالمجان على زميلاتها عام 1933.
اختارت سميرة موسى كلية العلوم جامعة القاهرة، على الرغم من أن مجموعها كان يؤهلها لدخول كلية الهندسة حينما كانت أمنية أي فتاة في ذلك الوقت هي الالتحاق بـكلية الآداب، وهناك لفتت نظر أستاذها الدكتور علي مصطفى مشرفة، وهو أول مصري يتولي عمادة كلية العلوم. تأثرت به تأثرا مباشرا؛ ليس فقط من الناحية العلمية بل أيضا بالجوانب الاجتماعية في شخصيته.
حصلت سميرة موسى على بكالوريوس العلوم، وكانت الأولى على دفعتها، فعُينت معيدة بكلية العلوم، وذلك بفضل جهود د/مصطفي مشرفة الذي دافع عن تعيينها بشدة، وتجاهل احتجاجات الأساتذة الأجانب (الإنجليز).
حصلت على شهادة الماجستير في موضوع التواصل الحراري للغازات.سافرت في بعثة إلى بريطانيا درست فيها الإشعاع النووي، وحصلت على الدكتوراة في الأشعة السينية وتأثيرها على المواد المختلفة.
أنجزت الرسالة في عام وخمسة أشهر، وقضت السنة الثانية في أبحاث متصلة توصلت من خلالها إلى معادلة هامة (لم تلق قبولا في العالم الغربي آنذاك) تُمكن من تفتيت المعادن الرخيصة مثل النحاس، ومن ثم صناعة القنبلة الذرية من مواد قد تكون في متناول الجميع، ولكن لم تدون الكتب العلمية العربية الأبحاث التي توصلت إليها د/سميرة موسى.
كانت تأمل أن يكون لمصر وللوطن العربي مكان وسط هذا التقدم العلمي الكبير، حيث كانت تؤمن بأن زيادة ملكية السلاح النووي يسهم في تحقيق السلام، لأن أي دولة تتبني فكرة السلام لابد وأن تتحدث من موقف قوة. فقد عاصرت ويلات الحرب وتجارب القنبلة الذرية التي دكت هيروشيما وناجازاكي في عام 1945، ولفت انتباهها الاهتمام المبكر من إسرائيل بامتلاك أسلحة الدمار الشامل وسعيها للانفراد بالتسلح النووي في المنطقة.
قامت بتأسيس هيئة الطاقة الذرية بعد ثلاثة أشهر فقط من إعلان الدولة الإسرائيلية عام 1948. كما حرصت على إيفاد البعثات للتخصص في علوم الذرة، فكانت دعواتها المتكررة إلى أهمية التسلح النووي، ومجاراة هذا المد العلمي المتنامي. كما نظمت مؤتمر الذرة من أجل السلام الذي استضافته كلية العلوم، وشارك فيه عدد كبير من علماء العالم.
كما كانت عضوا في كثير من اللجان العلمية المتخصصة، وعلى رأسها "لجنة الطاقة والوقاية من القنبلة الذرية" التي شكلتها وزارة الصحة المصرية.
تأثرت د/سميرة بإسهامات المسلمين الأوائل، وبأستاذها علي مصطفى مشرفة. وقد كتبت مقالة حول دور محمد بن موسى الخوارزمي في إنشاء علوم الجبر. ولها أيضا عدة مقالات تتناول بصورة مبسطة الطاقة الذرية، وأثرها، وطرق الوقاية منها، وتشرح تاريخ الذرة وتكوينها، والانشطار النووي وآثاره المدمرة، وخصائص الأشعة وتأثيرها البيولوجي.سافرت سميرة موسى إلى بريطانيا ثم إلى الولايات المتحدة للدراسة في جامعة أوكردج بولاية تنيسي الأمريكية. ولم تنبهر ببريقها أو تنخدع بمغرياتها، ففي خطاب إلى والدها قالت:
«ليست هناك في أمريكا عادات وتقاليد كتلك التي نعرفها في مصر، يبدو أن كل شيء ارتجاليا. فالأمريكان خليط من مختلف الشعوب، كثيرون منهم جاءوا إلى هنا لا يحملون شيئاً على الإطلاق فكانت تصرفاتهم في الغالب كتصرف زائر غريب يسافر إلى بلد يعتقد أنه ليس هناك من سوف ينتقده لأنه غريب.»استجابت الدكتورة سميرة إلى دعوة للسفر إلى الولايات المتحدة في عام 1952، حيث أُتيحت لها الفرصة لإجراء أبحاث في معامل جامعة سانت لويس بولاية ميسوري الأمريكية، وتلقت عروضا للبقاء هناك لكنها رفضت. وقبل عودتها بأيام استجابت لدعوة لزيارة معامل نووية في ضواحي كاليفورنيا في 5 أغسطس، وفي طريق كاليفورنيا الوعر المرتفع ظهرت سيارة نقل فجأة، لتصطدم بسيارتها بقوة، وتلقي بها في واد عميق. وقد تمكن سائق السيارة - زميلها الهندي الذي كان يحضر الدكتوراه - من النجاة، حيث قفز من السيارة، واختفي إلى الأبد.
أوضحت التحريات أن السائق كان يحمل اسما مستعارا، وأن إدارة المفاعل لم تبعث بأحد لاصطحابها. وقد كانت سميرة موسى تقول لوالدها في رسائلها:«لو كان في مصر معمل مثل المعامل الموجودة هنا كنت أستطيع أن أصنع أشياء كثيرة.»
وعلق محمد الزيات مستشار مصر الثقافي في واشنطن وقتها أن كلمة "أشياء كثيرة" كانت تعني بها أن في قدرتها اختراع جهاز لتفتيت المعادن الرخيصة إلى ذرات عن طريق التوصيل الحراري للغازات، ومن ثم تصنيع قنبلة ذرية رخيصة التكلفة. في آخر رسالة لها كانت تقول:
«لقد استطعت أن أزور المعامل الذرية في أمريكا، وعندما أعود إلى مصر سأقدم لبلادي خدمات جليلة في هذا الميدان، وسأستطيع أن أخدم قضية السلام.» حيث كانت تنوي إنشاء معمل خاص لها في منطقة الهرم بـمحافظة الجيزة.
لا زالت الصحف تتناول قصة سميرة موسى وملفها الذي لم يُغلق، وإن كانت الدلائل تشير - طبقا للمراقبين - إلى أن الموساد هو الذي يقف وراء اغتيالها جزاء لمحاولتها نقل العلم النووي إلى مصر والوطن العربي في تلك الفترة المبكرة.
تم تكريمها من قبل الجيش المصري في عام 1953.لم تنس مصر ابنتها العظيمة، فقد قامت بتكريمها عندما منحها الرئيس الراحل محمد أنور السادات وسام العلوم والفنون من الطبقة الأولى عام 1981.
أُطلق اسمها على إحدى مدارس وزارة التربية والتعليم بقريتها. كما سميت احدى معامل كليتها باسمها.
قُرر إنشاء قصر ثقافة يحمل اسمها في قريتها عام 1998.
تم تسجيل قصتها في سيرة ذاتية بعنوان "اغتيال العقل العربي: سيرة ذاتية لأولى شهداء العلم د.سميرة موسى".