Вундт родился в городке Некарау недалеко от Мангейма в семье лютеранского пастора. Окончил школу в 1851 г. и до 1856 г. обучался в Тюбингенском, Берлинском и Гейдельбергском университетах. На последнем году учебы в Гейдельберге Вундт был практически при смерти от серьёзного заболевания. После получения диплома по медицине в Гейдельберге Вундт короткое время учится у Иоганна Мюллера и вскоре становится сотрудником университета — ассистентом выдающегося физика и физиолога Германа фон Гельмгольца, с 1858 по 1864 гг. В это время он пишет работу Статьи по теории чувственного восприятия (1858—1862). Также в Гейдельберге Вундт женится на Софи Мау.
В этот период Вундт начинает читать первый в мире курс по научной психологии, постоянно подчёркивая в нем использование экспериментальных методов, взятых из естественных наук. В своём курсе он подчёркивает физиологическую связь между мозгом и разумом. Знания и опыт Вундта в физиологии имели огромное значение для становления новой науки — психологии. Его лекции были опубликованы в виде книги Лекции о разуме человека и животных в 1863 г. В 1864 Вундт получает место доцента в Гейдельберге.
Вундт начинает работу, которая привела его к публикации в 1874 г. одной из самых важных работ в истории психологии, книги «Принципы физиологической психологии». Принципы строят психологию как исследование непосредственного опыта сознания, включая чувства, эмоции, волевые акты и идеи, с помощью метода интроспекции, или самонаблюдения.
В 1875 Вундт получает ставку профессора в Лейпцигском университете, а через 4 года основывает первую в мире психологическую лабораторию. Учёные со всего мира собираются в лаборатории Вундта, в том числе Эдвард Титченер. Позднее, студенты Вундта основывают психологические лаборатории в Университете Пенсильвании, Колумбийском университете и др.
Вундт жил в Лейпциге до самой смерти и был научным руководителем у 186 студентов, защитивших докторские диссертации по различным научным дисциплинам.
В последние годы жизни Вундт фокусируется на социальной и культурной психологии, и до самой смерти пишет фундаментальный 10-томный труд «Психологию народов».
Научное наследие Вундта колоссально по объёму и составляет около 54000 страниц в виде книг и статей. Некоторые особо выдающиеся его работы: Лекции о психологии человека и животных, Эссе, Этика: исследование фактов и законов моральной жизни, Гипнотизм и внушение (1892) и Введение в психологию.
Вундт пытался понять человеческий разум, изучая составные части человеческого сознания, также как при изучении сложного химического вещества его разбивают на составные элементы. Таким образом, Вундт представлял психологию наукой, схожей с физикой и химией, в которой сознание есть набор разделяемых и опознаваемых частей. Эти идеи Вундта были развиты Эдвардом Титченером, бывшим одно время студентом Вундта. Титченер развил систему Вундта, его идеи легли в основу концепции структурализма в психологии. Структурализм не смог конкурировать в англо-американском научном сообществе с более естественным для американской науки функционализмом, созданным на основе идей Уильяма Джемса, и в настоящее время распространён, в основном, в европейской науке.
Хотя Вундт полагался в своих исследованиях на научный и физиологический методы, он часто использовал и метод интроспекции, который сегодня не рассматривается как научный, так как он не является эмпирическим и не дает воспроизводимые результаты.
Вильгельма Вундта часто называют одним из отцов современной психологии. Несколько его работ, например, «Принципы физиологической психологии», является классическими и фундаментальными трудами в области психологии. Но, со временем, психологическая наука ушла далеко вперед и влияние результатов Вундта на современные исследования ставится под сомнение многими экспертами.
Вундт работал в огромном количестве областей знания, он публиковал работы по философии, психологии, физике, физиологии. Необъятность его печатного наследия за продолжительную 65-летнюю научную карьеру такова, что даже трудно построить единую картину его деятельности. Несомненно, однако, Вундт был верным поклонником фундационализма, неустанно работая над построением непротиворечивой и единой картины естественного мира, понимаемого с точки зрения атомизма.