Vanunu is geboren op 13 oktober 1954 in een kinderrijk gezin van Sefardische joden in Marokko. Het gezin emigreert in 1963 – als hij 9 jaar oud is – naar Israël. Hij groeit op in de immigrantenstad Beersheba in de Negev-woestijn. Zijn vader handelt als marktkoopman in religieuze artikelen.
Na zijn militaire diensttijd (1971-1974) gaat Vanunu als technisch controleur een dienstverband aan met het direct aan zijn woonplaats grenzend centrum voor atoomonderzoek in Dimona. Volgens Israëlische bronnen staat in zijn arbeidscontract dat hij zich akkoord verklaart met de Wet op de Staatsgeheimen, die bepaalt dat op het verraden van staatsgeheimen tot 15 jaar gevangenis staat. Vanunu schrijft zich in voor een technische opleiding en stapt later over op economie, aardrijkskunde en filosofie.
Tijdens zijn dienstverband ontdekt Vanunu dat Israël in een geheime afdeling van het onderzoekscentrum atoomwapens produceert. Hij smokkelt een camera naar binnen en maakt ruim 50 foto’s, onder meer van wat later als kernkoppen zal worden geïdentificeerd. Hij wordt in december 1985, na een dienstverband van acht jaar, wegens labiel gedrag ontslagen. Hij vertrekt naar Australië, bekeert zich onder invloed van de bekende dominee John McKnight tot het (Anglicaans) christendom en laat zich dopen.
Tijdens een kerkelijke bijeenkomst laat Vanunu de foto’s zien. De dominee moedigt hem aan deze in de openbaarheid te brengen, omdat volgens hem christenen een actieve rol moeten spelen in de strijd tegen kernwapens. Via een journalist komen de foto’s in handen van de Sunday Times. Voordat men tot publicatie besluit worden de nodige controlehandelingen verricht. Op 28 september 1986 verschijnt in een concurrerend blad, de Sunday Mirror, een artikel over de kwestie.
Een undercoveragente van de Israëlische geheime dienst Mossad lokt Vanunu naar Rome, waar hij wordt gearresteerd, verdoofd en per schip naar Israël overgebracht. Op 5 oktober 1986 publiceert de Sunday Times zijn verhaal en plaatst er vijf van Vanunu’s foto’s bij. Onafhankelijke experts, onder wie de beroemde kernfysicus Frank Barnaby, bevestigen dat de foto’s duiden op kernwapenproductie.
In Israël wordt Vanunu achter gesloten deuren berecht en op 27 februari 1988 tot 18 jaar cel veroordeeld. Als verdediging voert hij aan dat de wereld hoort te weten wat zich in Israël afspeelt. Zijn broer Meir staat achter hem; hij speelt een belangrijke rol bij internationale acties voor zijn vrijlating. Zijn vader keert zich echter van hem af: niet omdat hij staatsgeheimen heeft verraden maar omdat hij zich tot het christendom heeft bekeerd.
Op de manier waarop hij gevangen wordt gehouden komt veel internationale kritiek. Hij wordt veel te lang eenzaam opgesloten; jarenlang blijft het licht in zijn cel branden, zodat hij niet meer weet of het dag of nacht is. Het Europese Parlement veroordeelt zijn behandeling en noemt de manier waarop hij is ontvoerd een grove schending van de Italiaanse soevereiniteit.
Op 21 april 2004 komt hij onder speciale voorwaarden vrij. Zo mag hij Israël niet verlaten. Hij verklaart in het openbaar dat hij zijn huisarrest vreemd vindt: hij heeft immers geen geheimen meer. Hij beschouwt zijn handelen niet als verraad. Ten slotte doet hij enkele politieke uitlatingen: hij vindt onder meer dat er in plaats van de staat Israël een Palestijnse staat moet komen waarin ook Israëli’s kunnen wonen.
Velen beschouwen hem als een landverrader die zijn straf ruimschoots verdiend heeft. Sommige bronnen melden dat hij de geheimen openbaar gemaakt heeft uit gewetensnood. Volgens andere zou het om wraak voor zijn ontslag gaan. Onvrede met de situatie van de Palestijnen zou een rol gespeeld hebben. Ook wordt beweerd dat de Mossad hem misbruikt heeft om de wereld er opzettelijk van op de hoogte te brengen dat Israël kernwapens produceert.
Tegenstanders van kernbewapening en/of van de staat Israël beschouwen hem als klokkenluider en held, die een uit Israël afkomstig gevaar voor de wereldvrede openbaar gemaakt heeft.
De zaak doet veel stof opwaaien: in veel landen worden oproepen gedaan om hem via internet met zijn vrijlating te feliciteren. Ook worden lezers uitgenodigd Israël op te roepen hem nu écht vrij te laten.
