Físico nuclear, hijo mayor de Fidel Castro y de Mirta Díaz-Balart. Fue un intelectual que publicó numerosos trabajos en los campos de la Física, la Energía nuclear y la Gestión del Conocimiento. Es considerado como uno de los científicos cubanos más prestigiosos por su aguda visión global y su gran preocupación por la forma de organizar la ciencia en función del progreso de la sociedad. Profesor Titular y Académico de la Academia de Ciencias de Cuba y Doctor Honoris Causa del Instituto Superior de Tecnologías y Ciencias Aplicadas (INSTEC).

Sus padres se divorciaron antes del triunfo de la Revolución Cubana, luego Mirta se mudó a Miami, Estados Unidos, con la familia Díaz-Balart, llevándose a su hijo con ella. Fidel hijo regresó a Cuba cuando era niño para visitar a su padre, y se mantuvo en la isla después por el resto de su infancia.​

Después de realizar estudios en su país, se trasladó a la Unión Soviética donde se convirtió en doctor en Ciencias Físicas y Matemáticas por el Instituto de Energía Atómica I. V. Kurchatov de Moscú.

Se graduó en Física Nuclear por la Universidad Estatal Lomonosov de Moscú (1974). De regreso a Cuba obtuvo un segundo doctorado en Ciencias por el Instituto Superior de Ciencias y Tecnología Nucleares de La Habana, y estuvo a cargo del programa de energía nuclear de Cuba, siendo secretario ejecutivo de la Comisión de Energía Atómica de Cuba y de la Secretaría Ejecutiva de Asuntos Nucleares entre 1980 y 1992,​ hasta que su padre lo sacó del cargo.​

Independientemente de los brillantes resultados científicos y de sus responsabilidades como directivo, comenzó a experimentar una gran preocupación hacia la Gestión de Empresas y la Política Industrial, producto a sus trabajos en la Gestión de la Industria Básica Cubana en el procesamiento del petróleo, el níquel y el cobalto; así como en el uso de la electricidad.

Estuvo a cargo de el desarrollo de la Planta Nuclear de Juraguá en Cienfuegos.

Su labor le permitió acumular una vasta experiencia en el manejo de indicadores de desarrollo científico y técnico en los ámbitos nacional e internacional, permitiéndole ilustrar con propiedad las razones de los éxitos y fracasos de varias iniciativas en la ciencia en Cuba.

Con un amplio conocimiento de la economía mundial, defendió la idea de que la misma encuentra su soporte cada vez más en el valor del conocimiento, la información y la innovación.

Publicó varios trabajos donde ilustra la problemática de la ciencia y la tecnología a partir de desarrollo del conocimiento, así como su aspecto social y la correspondiente influencia en la política, la economía y la cultura.

Después de siete años fuera de la opinión pública, regresó en 1999 para ocupar un cargo de asesor en el Ministerio de la Industria Básica y dedicarse a la divulgación científica como físico nuclear.

Escribió varios libros y artículos de temas científicos. Fue asesor científico del Consejo de Estado y vicepresidente de la Academia de Ciencias de Cuba.​

Realizó varias visitas de trabajo en diferentes países, ofreciendo conferencias de prensa e intercambiando con autoridades científicas y educacionales.

Supo exponer con certeza y claridad las posibilidades de colaboración entre Cuba y otras naciones.

Fue un defensor a ultranza de la eliminación de las armas de destrucción masiva y el uso de la energía nuclear con fines pacíficos. Impulsó el trabajo con la nanotecnología en Cuba.

Tuvo tres hijos, Mirta María, Fidel Antonio y José Raúl, con Natasha Smirnova, a quien conoció en Rusia. Después de divorciarse de Smirnova, se casó con la cubana María Victoria Barreiro, hija del general de la Seguridad del Estado Luis Barreiro.​

Castro Díaz-Balart se suicidó el 1 de febrero de 2018, a los 68 años. Había estado hospitalizado por depresión.