東京都文京区小石川出身。物理化学者で文化勲章を受章した水島三一郎(同墓)の長男。1955(S30)東京大学農学部農芸化学科卒業。'60農学博士。
同年東京大学応用微生物研究所助手となり、'68.9米国ウィスコンシン大学研究員、'71名古屋大学農学部助教授(農芸化学)、'83名古屋大学農学部教授、'85東京大学応用微生物研究所教授となった。
'90(H2)東京大学応用微生物研究所所長。その間、'76松永賞、'82中日文化賞、'88日本農芸化学会賞、'90バイオインダストリー協会賞'92内藤記念科学振興賞を受賞。
'93東京大学応用微生物研究所を定年退官し、東京薬科大学教授となった。'94東京薬科大学生命科学部長。同年紫綬褒章受賞。翌年東京大学名誉教授となった。'96.3.8午前2時40分国立がんセンターで膵臓がんにて永眠。享年63歳。
主な研究テーマとして大腸菌の外膜・内膜の分離法、大腸菌リボソームの構造・機能・再構成、大腸菌外膜の構造・機能・再構成、浸透圧ショックに対する大腸菌細胞の応答機構、蛋白質の膜透過・分泌機構などあり、生化学者として多くの功績を残した。
*墓誌には3名の名が刻み、裏面に10代目物理化学者(水島三一郎)、11代目生化学者(水島昭二)と刻む。また、逆がわに「増見店主」とも刻まれるものが建つ。
*水島三一郎の弟の宇三郎は東北大名誉教授、末弟の儀修は日本農産工業取締役。また三一郎の妻の勅子の父は日清製粉の正田貞一郎(15-1-1-23)。
よって勅子の兄の英三郎の娘が美智子皇后陛下であるため、昭二は従兄にあたる。
昭二の兄の恵一は文教大学学長。
弟の水島裕は薬学博士で聖マリアンナ医科大名誉教授。
妹の千恵子は東大名誉教授の広部雅昭に嫁いだ。
妹(次女)の節子はアルベロサクロ代表取締役で榊原記念病院の榊原高之に嫁いだ。
妹(三女)の雅子は味の素理事の井澤邦輔に嫁いだ。
昭二の長男の洋は国立癌センター室長。
娘の幸子は山形大医学部教授の北中千史に嫁いだ。
次男の徹は熊大医薬研究部教授。
また昭二の弟の水島裕の娘は、民主党の公募候補として2000.6(H12)衆議院選挙で栃木1区から出馬し、政界失楽園の船田元を敗って初当選した水島広子。水島昭二からは姪にあたる。