Родился в Ташкенте в семье учителя средней школы. Окончил Ленинградский университет (1932) по специальности «Теоретическая физика». С октября 1932 года проживал в Свердловске, куда был направлен по распределению. В 1932—1939 годах работал в Уральском физико-техническом институте (Свердловск), с 1939 года — заведующий отделом Института физики металлов. Руководил лабораторией магнитной нейтронографии, созданной по его инициативе. Затем советник президиума РАН. Был главным редактором журнала «Физика металлов и металловедение».
С 1971 по 1985 годы — председатель президиума Уральского научного центра АН СССР. С 1947 года профессор Уральского университета (физический факультет), с 1993 года был ректором Гуманитарного университета в Екатеринбурге. В 1992—1994 годах преподавал на математико-механическом факультете основанной по его предложению физ-мат группе.
Основатель уральской научной школы по теории твёрдого тела и физике магнитных явлений. Труды в области квантовой теории твёрдого тела, многоэлектронной теории металлов и полупроводников, теории ферро- и антиферромагнетизма, сверхпроводимости. В 1934—1936 гг. совместно с С. П. Шубиным построил полярную и s-d-обменную модели кристаллических твёрдых тел. Создал теорию переходных металлов, сплавов и редкоземельных соединений, учитывающую взаимосвязь магнитных и электрических свойств этой группы веществ. Заложил основы теории ферромагнетизма сплавов, развил теорию явлений магнитной анизотропии и магнитострикции. Значительный цикл работ относится к теории сверхпроводимости в переходных металлах и сплавах, проблеме одновременного существования в них ферромагнетизма и сверхпроводимости.
Скончался в 1998 году, похоронен на Широкореченском кладбище Екатеринбурга. Именем Вонсовского было преложено назвать улицу Первомайскую в Екатеринбурге, потом было принято постановление о переименовании улицы Краснолесья в улицу Вонсовского, но оно было через некоторое время отменено по просьбам общественности. В итоге в 2002 году именем академика Вонсовского была названа еще не застроенная улица Институтская в жилом районе Академический.