Родился в Спокане, штат Вашингтон.
Вначале учился в Принстонском университете. Затем после получения стипендии Родса продолжил обучение в колледже Мертона в Оксфордском университете, где изучал невропатологию под руководством Шеррингтон. Затем перевелся в Университет Джонса Хопкинса, который закончил в 1918 г. и получил диплом врача. Последующие несколько лет учился и работал в Оксфорде. Во время своей поездки в Испанию в 1924 обучился методике нейрогистологического исследования Рамон-и-Кахаля, в Германии стажировался у нейрохирурга Отфрида Фёрстера в Бреслау.
После прохождения стажировки у Гарвея Кушинга, работал в неврологическом институте в Нью-Йорке, где начал проводить свои первые операции по поводу эпилепсии. В 1921—1928 работал в Колумбийского университета и одновременно хирургом Нью-Йоркского неврологического института. В Нью-Йорке он познакомился с Дэвидом Рокфеллером, который согласился проспонсировать создание института для изучения хирургического лечения эпилепсии. В связи со скепсисом и препятствиями коллег неврологов в Нью-Йорке, Пенфилду пришлось переехать в Монреаль, где он стал преподавать в университете МакГилла и одновременно работать в Королевском госпитале Виктории нейрохирургом.
В 1934 он становится основателем и первым директором Монреальского неврологического института при университете МакГилла. Данный институт был создан на деньги фонда Рокфеллера. С 1965 по 1968 гг. — президент института семьи. С 1960 Пенфилд посвящает своё внимание литературе. В частности он написал автобиографическую новеллу No man Alone и роман Факел, издававшийся на русском языке в 1964 и 1994 гг., описывающий жизнь Гиппократа.
За свою жизнь 4 раза посещал СССР — в составе Британо-Американо-Канадской миссии в 1943 г., в 1955, 1958 гг., а также в 1962 г. Последний визит был связан с травмой Ландау.
Член Лондонского королевского общества (1943), иностранный член Национальной академии наук США (1953), Академии наук СССР (1958).
Умер Пенфилд в Монреале 5 апреля 1976 года.
Пенфилд наибольшее внимание своей медицинской деятельности уделял хирургии эпилепсии. Метод его лечения состоял в деструкции тех отделов коры головного мозга, которые представляли собой очаг судорожной активности. Совместно с электрофизиологом Гербертом Джаспером он разработал методику, которая заключалась в том, что во время операции на открытом мозге производилась электрическая стимуляция его различных отделов, что позволяло более точно локализовать эпилептический очаг и оценить функции тех или иных структур. Во время операции больные находились в сознании и описывали свои ощущения, которые тщательно фиксировались, а затем анализировались.
Пенфилд использовал информацию, полученную в ходе сотен операций на мозге, для создания функциональных карт коры (поверхности) мозга. Он обобщил результаты картографии основных моторных и сенсорных областей коры и впервые точно нанёс на карту корковые области, касающиеся речи. С помощью метода электрической стимуляции отдельных участков мозга Пенфилдом было установлено точное представительство в коре головного мозга различных мышц и органов тела человека. Схематично его изображают в виде «гомункулуса» (человечка), части тела которого пропорциональны зонам мозга, в которых они представлены. Поэтому пальцы рук, губы и язык с большим числом нервных окончаний изображаются крупнее, чем туловище и ноги.
Широко применяя электростимуляцию, Пенфилд получил ценные данные о функциональной организации коры головного мозга человека. Этой теме посвящена монография «Кора головного мозга человека» (The Cerebral Cortex of Man, 1950), написанная им совместно с Т. Рамуссеном. В 1951 г. им совместно с Гербертом Джаспером была опубликована монография «Эпилепсия и функциональная анатомия головного мозга». Среди других трудов Пенфилда — «Цитология и клеточная патология нервной системы» (Cytology and Cellular Pathology of the Nervous System, 1932); «Типы эпилептических припадков» (Epileptic Seizure Patterns, 1951); «Загадка интеллекта» (The Mystery of Mind, 1975).