Heinz Maier-Leibnitz war ein Sohn von Hermann Maier-Leibnitz. Er studierte Physik an der Technischen Hochschule Stuttgart und an der Universität Göttingen, wo er 1935 bei James Franck, dem Nobelpreisträger von 1925, promovierte. Wie sein Vater wurde er während seines Studiums Mitglied der Studentenverbindung Akademische Gesellschaft Sonderbund Stuttgart. Seine wissenschaftliche Laufbahn in der experimentellen Kernphysik begann er als Mitarbeiter von Walther Bothe am Kaiser-Wilhelm-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg, das nach dem Zweiten Weltkrieg als Max-Planck-Institut für medizinische Forschung weiter geführt wurde.

Die Technische Hochschule München berief ihn 1952 auf den Lehrstuhl für Technische Physik als Nachfolger von Walther Meißner. Das zum Lehrstuhl gehörige Laboratorium für Technische Physik wurde eine Keimzelle der nuklearen Festkörperphysik in Bayern. Auf seine Initiative hin und unter seiner Leitung wurde der erste deutsche Forschungsreaktor, der Forschungsreaktor München (genannt Atomei), in Garching bei München gebaut und 1957 in Betrieb genommen.
Große wissenschaftliche Bedeutung erlangte Maier-Leibnitz mit dem Aufbau des deutsch-französischen Neutronenforschungszentrums Instituts Laue-Langevin in Grenoble, dem er von 1967 bis 1972 vorstand.

1974 wurde Heinz Maier-Leibnitz emeritiert. Sein Nachfolger sowohl am Lehrstuhl als auch als Leiter des Forschungsreaktors war Wolfgang Gläser.