19488月3日出生於台灣省嘉義縣義竹鄉，是家裡九個孩子中的老七。
1960小學時興趣廣泛，並未專注於學校課業，而父母也給予多元發展的空間。後來決定發奮讀書，是全校唯一考上台南一中（初中部）的學生，也因此有了自信。
1963保送進入台南一中高中部，高一時受化學老師的影響，喜歡上化學。至今仍是台南一中壘球擲遠紀錄保持人。運動之外，也喜歡美術、書法、唱歌。
1966原本保送清華大學化學系，聽親友建議轉換組別又去考醫科，卻考上台灣大學農業化學系。對化學以外的課程不太感興趣，大學時常泡圖書館、看小說，胡思亂想。
1971服完兵役後，決定繼續往自己感興趣的化學領域發展，擔任台大化學系王光燦教授的助教與研究助理，研究蛇毒蛋白的合成。
1972隨王光燦轉任職於中央研究院生化所，八年助理員與助理研究員期間，與王光燦共同發表了35篇論文。
19753月與任教北一女中的美術老師及視聽中心導播劉映理結婚。
在職進修台大生化所碩士班，將兩種毒性最高的蛇毒蛋白進行化學合成，並證明有活性。1977年獲碩士學位，口試委員之一竟是自己的大學同學，刺激了他繼續攻讀博士。
1979決定出國改行學生物有機化學，申請到美國麻省理工學院（MIT）的獎學金，以懷特賽茲（George M. Whitesides）為博士指導教授，從事利用酵素進行有機合成的研究工作。
19825月三年博士班期間，共發表了20篇高水準論文，並獲得MIT的化學博士學位。
12月與懷特賽茲共同發表以酵素合成醣分子的方法，至今仍是唯一可以量產多醣分子的方法。論文於1982年發表於美國化學學會的《有機化學期刊》，並在1985年與懷特賽茲於德國的《應用化學》期刊發表文獻回顧。
19836月任教於美國德州農工大學化學系，繼續以酵素法合成醣分子的研究工作。
19862月因為於兩、三年內連續發表約10篇論文而獲美國總統青年學者獎化學類獎章（下圖）及席艾勒學者生物醫學獎，受到各界注意，獲企業邀請擔任顧問，開始了解基礎研究與實際應用之間的關係。
19893月獲邀擔任美國斯克里普斯研究院（TSRI）化學系講座教授，繼續醣分子化學及醣蛋白合成的研究。在此期間參與斯克里普斯研究院開創化學生物學領域，10年之內，讓斯克里普斯研究院的化學生物學領導全美。
6月於《科學》期刊發表以酵素催化有機合成的文獻回顧（下圖）。
1991獲日本政府邀請，兼任理化學研究所之尖端科學醣科技實驗室主任，每年的研究經費高達200萬美元。
199211月於《美國化學學會期刊》發表以酵素大量合成各種多醣分子的技術（右圖）。
19941月發明利用酵素合成多醣分子並結合醣核?酸再循環的技術，獲得美國專利。
7月獲得國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）的國際碳水化合物獎。
7月當選中央研究院院士。
199510月以酵素法結合醣核?酸再循環技術，廣泛應用到合成各種多醣分子而獲美國專利（下圖）。
19964月當選美國人文與科學院院士。
19973月首次合成第一個均相化醣蛋白（右圖），此法可應用於生產只含單一醣鏈的抗體。論文於1997年發表在《美國化學學會期刊》。
19985月獲頒美國化學學會的侯艾獎，表彰他開創新化學領域的成就。
8月發明程式化一鍋式合成法，是第一個自動化合成多醣分子的方法，可快速合成醣分子。論文於1999年發表於《美國化學學會期刊》（下圖），並受《自然》及《科學》等重要期刊廣泛報導。
11月與張念慈在美國創辦生技公司Optimer Pharmaceuticals, Inc.，從斯克里普斯研究院技轉以翁啟惠發明的一鍋式化學合成法、酵素合成法及其他的醣分子合成技術，用以開發各式新藥。兩年後，史隆凱特靈癌症中心的丹尼謝夫斯基（Samuel Danishefsky）教授也受邀擔任第三位創辦人。
19992月獲頒美國化學學會的哈德遜獎，肯定他對醣化學的貢獻。
10月獲得國際酵素工程獎，表彰他開發各種酵素方法以合成醣類及其他重要有機分子。
2000在日本理化學研究所巧遇中央研究院院長李遠哲，獲邀返台擔任中研院化學所特聘講座。
6月獲得美國總統綠色化學挑戰獎，表彰他開發以酵素法在無污染的環境下合成化學分子。
20011月於《自然》期刊發表以酵素法合成有機化合物的文獻回顧（上圖）。
3月於《科學》期刊發表文獻回顧，介紹多醣分子的自動化合成技術及均相化醣蛋白之醫藥應用進展。該期《科學》為特別企劃，以封面故事大幅報導碳水化合物與醣生物學（左圖）。
10月於《科學》期刊發表一醣類合成酵素的三維結構及作用機制，改變學界對此酵素作用機制的觀念。
20024月當選美國國家科學院院士。
4月Optimer Pharmaceuticals, Inc.來台成立子公司台灣浩鼎；研發乳癌疫苗，以一鍋式合成法生產疫苗的關鍵分子Globo H。
12月率先展開醣晶片的研發，發表於《美國化學學會期刊》，供分析蛋白質與醣分子的親和力及疾病篩檢。
20031月返台擔任中央研究院基因體研究中心主任。
2005獲頒美國化學學會合成有機化學創意獎，表彰他開創以酵素法合成有機化合物的貢獻。
20068月於《美國國家科學院學報》發表醣探針的設計（下圖），以供利用螢光尋找癌細胞上獨有醣分子，並研發新藥及新的檢測方法。後於《美國化學學會期刊》連續發表不同的醣探針。
10月擔任中央研究院院長。效法懷特賽茲投身公共事務，跨出基礎研究、參與學術政策以及產業法規的制定。同時繼續維持在基因體中心的實驗室，從事醣分子科學研究。
10月榮獲德國宏博資深科學家獎，表彰他在化學領域的貢獻。
10月爭取於南港202兵工廠設置國家生技園區，做為生醫製藥基礎研究的基地，以銜接基礎研究、轉譯醫學和創新育成。
20076月獲以色列理工學院榮譽博士；前後也獲頒清華大學、陽明大學、中興大學、交通大學、中山大學、高雄醫學大學、香港城市大學榮譽博士。
7月起草推動的「生技新藥產業發展條例」獲立法院通過，期能促進台灣生醫製藥研究的技轉，並鼓勵新藥與高階醫材的發展，同時鬆綁兼職規定，不受公務人員服務法限制。
11月當選世界科學院院士。
11月浩鼎出資與中研院產學合作，用醣晶片檢測乳癌疫苗的免疫反應。
2008獲頒美國化學學會的傑出化學研究卡頓獎章，表彰他在化學領域的研究貢獻。
2009獲頒國科會科學專業一等獎章，表彰他在學術領導與法規制定的貢獻。
20107月浩鼎向中研院技轉新一代的GloboH癌症疫苗及用於癌症檢測的醣晶片。
20112月浩鼎出資與中研院產學合作，研發改善乳癌疫苗以及Globo H的合成技術。
10月連任中央研究院院長。
11月協助修改「科技基本法」，使智慧財產處理權下放到執行單位，不受國有財產法規範，研究人員在公司持股、兼職，不受公務人員服務法限制，科研採購不受政府採購法限制。鼓勵人才、技術與資金流通，以提升台灣高科技的研發。
20123月獲頒美國化學學會的科博獎，是美國化學界有機化學領域的最高榮譽。
4月首次解出細菌表面轉醣??的結構（右圖），可當做研發新抗生素的標的。發表於《美國國家科學院學報》。
5月獲頒日經亞洲獎，表彰他在科學研究與創新發展的貢獻。
11月參與美國國家科學院出版專書《改變中的醣科學》（Transforming Glyco-science: A Roadmap for the Future），本書引起美國國會的重視，促成美國國家衛生研究院（NIH）增加醣科學研究經費。
20131月發表寡醣乳癌疫苗，是第一個廣效性的醣分子癌症疫苗。論文發表於《美國國家科學院學報》。
4月醣基生醫公司向中研院技轉均相化抗體及多項醣分子技術。
20142月於《美國國家科學院學報》發表廣效流感疫苗（右圖）。
4月浩鼎向中研院技轉以酵素法合成GloboH的技術。
6月獲頒沃爾夫化學獎，表彰他對醣分子科學、醣化學合成及醣蛋白合成的貢獻。
11月感念先人對地方的奉獻，長年推動修復的翁家老宅終於完工（上圖）。
12月獲選為美國發明家學院（NAI）院士。
20152月與丹尼謝夫斯基、許友恭以及張念慈，於美國化學學會的《化學研究報告》發表Globo H癌症疫苗的文獻回顧。
4月「厚德載物，不違祖訓」，翁啟惠回饋鄉里，於母校義竹國小100週年校慶時，與王榮文、翁素蕙、翁岳生共同捐資成立圖書館「智慧發生堂」以作育英才。
5月獲頒英國皇家化學學會羅賓遜獎，表彰他在有機化學的貢獻。
8月延伸在美國時發展的酵素合成均相化醣蛋白的概念，首次發現特定的單一醣鏈可增加各種抗體的活性，也就是均相化抗體（右圖）。論文發表於《美國國家科學院學報》。
2016
3月獲以色列科學與人文學院愛因斯坦講座。
3月被通知獲美國威爾希化學獎於10月頒獎，後因浩鼎疑案於4月20日遭限制出境而取消。
3月於《自然．化學》期刊發表新的多醣分子合成法並用於以氧化鋁當介面的醣晶片製作，以改善目前醣晶片的缺失，可使製作的醣晶片上醣分子分佈更均勻，甚至可製作同時在同一部位會有不同醣分子的晶片，並增加可信度及靈敏度。
5月以他在美國時發明的酵素法及醣核?酸再循環技術，取得Globo H製程的美國專利。
5月捲入浩鼎疑案而辭去中研院院長職務，對各方的不實報導及違背法治國家應有的程序正義，深感遺憾。
9月中研院與美國國家癌症研究院簽約，參與「國家癌症登月計畫」。
20171月遭士林地檢署依貪污治罪條例起訴，視為生平遭受的最大屈辱，誓言透過法律證明清白。
3月應《科學人》雜誌邀請，親撰〈我的醣科學研究之路〉，記述他的研究轉折與回國服務的心路歷程。
5月26日科技基本法再次修法，於立法院三讀通過，放寬各領域兼職適用範圍至兼行政職的教授以及政府機構研究人員。
2021
9月獲頒威爾許化學獎。
