Bay Zoltán Lajos 1900. július 24-én született a Gyulához tartozó Gyulaváriban. A legenda szerint általános iskolásként a gyulai templomtorony mögött a Holdat látva kezdett el először azon gondolkozni, hogy elérné-e, ha felmászna a toronyba. A debreceni református kollégiumban érettségizett, majd elvégezte a budapesti Pázmány Péter Tudományegyetem matematika-fizika szakát.

1926-ban ösztöndíjjal Berlinben dolgozott, akkor fedezte fel, hogy az aktív nitrogéngáz szabad nitrogénatomokat tartalmaz. Hazatérése után, harmincévesen az ország legfiatalabb tanszékvezető professzora lett a szegedi egyetem elméleti fizikai tanszékén.

Munkatársaival kifejlesztett egy újfajta elektrokardiográfot, és közel járt a szívritmus-szabályozó, azaz a pacemaker megvalósításához is.

1936-ban Magyarország egyik legjobban felszerelt tudományos műhelye, az Egyesült Izzó kutatólaboratóriumának élére hívták meg, ezzel egyidejűleg a budapesti Műegyetemen - az országban elsőként - atomfizikai tanszéket hozott létre. A tanszéken a fotonáram mérésére használt ipari célú elektronsokszorozót a fotonszámlálás leggyorsabb eszközévé fejlesztette, ma is ez az elv szolgál az alapjául minden gyors atomszámláló eljárásnak.

Később, már Amerikában eszközével bebizonyította, hogy elektron-foton ütközések során az energia megmaradásának törvénye nemcsak statisztai átlagban, hanem 0,00000000001 pontossággal is teljesül.

A második világháború alatt a honvédség őt bízta meg a rádiólokátor, azaz a radar kifejlesztésére alakult tudóscsoport munkájának irányításával, és vezetésével 1943-ra sikerült olyan készüléket szerkeszteni, amely már 18 kilométer távolságból észlelte a tárgyakat.

Ekkor fogant meg benne az ötlet: "küldjünk jeleket a Holdra, s nézzük meg, miként érkeznek vissza". Budapest ostroma után berendezéseinek nagy részét a Szovjetunióba vitték, s bár társaival képesek voltak új berendezést készíteni, ez - kényszerből- hosszabb hullámon működött, és rosszabb volt a jel/zaj viszonya.

A legnagyobb gondot egyébként is az okozta, hogy a rendelkezésükre álló energia kevés volt, a zaj tízszeresen múlhatta felül a várhatóan visszaérkező jeleket. Ezért a visszaérkező jelek összegzését javasolta, és a kísérletek sikerre vezettek. Az eredményeket 1946. február 6-án hozták nyilvánosságra. Nagyjából ugyanekkor egy összehasonlíthatatlanul jobb körülmények között dolgozó amerikai csoport hasonló kísérletet végzett, de többnyire elismerik a magyarok elsőbbségét.

A kísérletével a radarcsillagászat tudományát megalapozó Bayt, aki 1936-tól a Magyar Tudományos Akadémia levelező tagja volt, 1945-ben az MTA rendes tagjává és az Elektrotechnikai Egyesület elnökévé választották.

A politikai helyzet alakulása azonban egyre reménytelenebbé tette helyzetét, 1948-ban a kommunista hatóságok zaklatásai és egy készülő koncepciós per elől Amerikába emigrált.

Munkásságát a washingtoni George Washington Egyetem professzoraként folytatta, 1955-től 1972-ig az Amerikai Méréstudományi Intézet osztályvezetője volt. A fény sebességét vizsgálva kimutatta, hogy az légüres térben független a fényforrástól, a fény erősségétől, frekvenciájától, irányától és a mérő személytől.

A lézerfény frekvenciáját és a több nagyságrenddel kisebb mikrohullámú generátor frekvenciáját összekapcsolva alkotta meg a "fényre szabott métert". A Nemzetközi Méterbizottság 1983-ban fogadta el az általa javasolt definíciót, mely szerint 1 méter az az út, amelyet a fény légüres térben a másodperc 1/229792458 része alatt tesz meg.

Eredményéért megkapta a - mindössze harmadik alkalommal kiosztott - Boyden-díjat, és amikor 1981-ben az MTA tiszteletbeli tagjává választották, erről a témáról tartotta harmadik székfoglaló előadását. Rendes tagságát azonban nem lehetett visszaállítani, mert annak feltétele a magyar állampolgárság, s ettől az ötvenes években megfosztották.

A világhírű tudós emigrációjában is "jó hazafi és a humanista eszmék harcosa" maradt. 1973-ban engedélyezték először, hogy hazalátogasson, ettől kezdve még idős korában is rendszeresen járt itthon. Szülővárosa, Gyula kitüntetéssel ismerte el érdemeit, tagja volt a Kulturális Alapítvány Erdélyért vezetőségének és az Alföld Alapítvány kuratóriumának. Kilencvenedik születésnapján Washingtonban Göncz Árpád államfő adta át neki a Magyar Köztársaság rubinokkal ékesített Zászlórendjét.

Bay Zoltán 1992. október 4-én Washingtonban hunyt el, hamvait kívánságának megfelelően szülőföldjén helyezték végső nyugalomra. 2017-ben szülővárosában, Gyulán állandó kiállítás nyílt életéről és munkásságáról, egy évvel később a Csodák palotájában nyílt egy évig látogatható, munkássága előtt tisztelgő kiállítás. Az 1993-ban létrehozott Bay Zoltán Kutatási Alapítvány utóda a Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Közhasznú Nonprofit Kft., amelynek bázisán 2021 szeptemberében létrejött a nevét viselő, alkalmazott kutatásokat támogató hálózat.