Старший брат писателя Генри Джеймса. Учился медицине, в 1869 получил степень доктора, но по состоянию здоровья отказался от карьеры практикующего врача. С 1872 — ассистент, с 1885 — профессор философии, а в 1889—1907 — профессор психологии Гарвардского университета, где в 1892 году организовал первую в США лабораторию прикладной психологии (совместно с Мюнстербергом). С 1878 по 1890 г. Джеймс пишет свои «Принципы психологии», в которых отвергает атомизм немецкой психологии и выдвигает задачу изучения конкретных фактов и состояний сознания, а не данных, находящихся «в» сознании. Джеймс рассматривал сознание как индивидуальный поток, в котором никогда не появляются дважды одни и те же ощущения или мысли. Одной из важных характеристик сознания Джеймс считал его избирательность. С точки зрения Джеймса, сознание является функцией, которая «по всей вероятности, как и другие биологические функции, развивалась потому, что она полезна». Исходя из такого приспособительного характера сознания он отводил важную роль инстинктам и эмоциям, а также индивидуальным физиологическим особенностям человека. Широкое распространение получила выдвинутая в 1884 г. теория эмоций Джеймса. Теория личности, развитая им в одной из глав «Психологии», оказала значительное влияние на формирование персонологии в США. Наряду со Стэнли Холлом Джеймс — единственный психолог, дважды становившийся президентом Американской психологической ассоциации — в 1894 и в 1904 годах.
В работе «Многообразие религиозного опыта» (1902) Уильям Джеймс описывает две основные разновидности религиозного опыта:
Для Джеймса ценность религии заключалась в способности помочь людям обрести позитивное и уверенное отношение к жизни. По мнению ученого, религия способствует утверждению у человека верных представлений о самом себе и окружающих условиях для того, чтобы люди не стали жертвой несовершенства жизни и общества.
У. Джеймс одним из первых обратил внимание на взаимосвязь личности и среды в своих лекциях «Великие люди и их окружение» (Great Men and Their Environment). Он считал, что гениев надо воспринимать как данность, как «спонтанные мутации» по аналогии с теорией Дарвина о влиянии среды на естественный отбор. Джеймс ввел понятие восприимчивости личности к историческому моменту (receptivities of the moment) и считал, что изменения в обществе происходят в основном под влиянием активности или примера личностей. При этом гений оказывается настолько соответствующим особенностям своего времени, что может стать вдохновителем и инициатором движнения, или, что не исключено, стать центром духовного разложения и причиной гибели людей. В целом, Джеймс придавал мало значения другим движущим силам исторического развития, что стало поводом для критики, например, Сидни Хуком.