W.Heisenberg sündis Würzburgis. Tema isast sai hiljem kreeka keele professor Müncheni ülikoolis. Seal käis Werner Maxmilliani Gümnaasiumis (kus aastate eest oli õppinud ka Max Planck). Füüsikat õppis ta Müncheni ülikoolis, kus tema õpetajaks oli tuntud A.Sommerfeld. Ülikoolipäevil sõbrunes ta õpingukaaslase Wolfgang Pauliga, hoolimata nende üpris erinevatest elutavadest ja huvidest (Heisenberg oli sportlik ja punktuaalne, Pauli boheemlik napsitaja ja armastas aega veeta kohvikuis ja kõrtsides). Selle pikaajalise sõpruse katkestas Pauli pagemine Šveitsi Saksamaal hoogustuva natsiliikumise eest. Kui Heisenberg asus hiljem töötama hitlerlaste heaks, jahenesid nende suhted hoopis. Ülikoolipäevil sai Heisenbergist agar suusataja ja mägironija. 1923 kaitses Heisenberg Müncheni ülikoolis doktoritöö vedelike turbulentsist, millel polnud midagi tegemist tema hilisemate hiilgealadega. Edasi jatkas ta enesetäiendamist Göttingeni ülikoolis Max Borni käe all ning 1924-1927 Bohri juures Kopenhaagenis. 1927. aastal valiti ta Leipzigi ülikooli teoreetilise füüsika professoriks. Seal töötas ta 1941. aastani, mil sai Berliini ülikooli professoriks ja ühtlasi Keiser Wilhelmi Instituudi direktoriks. 1946 nimetati ta Max Plancki Instituudi direktoriks Göttingenis, 1958 asus koos instituudiga ümber Münchenisse, mis jäi tema elu- ja töökohaks surmani. 1937. aastal abiellus teadlane Elisabeth Schumacheriga, neil oli seitse last.

Bohri innustusel huvitus Heisenberg kvantteooriast. Teda ei rahuldanud aatomi mehaanilised mudelid. "Iga pilt aatomist, mida meie kujutlusvõime suudab esile manada, on paratamatult puudulik", on ta hiljem kirjutanud. Tema arvates tuli tegelda ainult mõõdetavate suurustega, spektrijoonte asendite ja intensiivsustega ning üleminekutõenäosustega, mida nende põhjal saab arvutada. Sellest lähtudes lõi ta 1925. aastal (23-aastasena!) esimese versiooni kvantmehaanikast. Koos Max Borni ja Pascual Jordaniga arendas ta selle järgmisel aastal kooskõlaliseks teooriaks, mis põhines maatriksarvutusel ja mida autorid seepärast nimetasid maatriksmehaanikaks. 1932 autasustati teda selle eest Nobeli preemiaga. Paraku oli teooria nii raskesti mõistetav ja keerukas, et esialgu ei leidnud palju rakendamist. E.Schrödingeri enam-vähem samaaegselt esitatud lainemehaanika oli ses suhtes palju edukam. Peagi näitas Schrödinger (hiljem ka teised), et kvantmehaanika mõlemad kujud, maatriks- ja lainemehaanika, on sisuliselt identsed.

1927. aastal, töötades Bohri instituudis Kopenhaagenis, esitas Heisenberg, arendades Pauli vihjet, määramatuse relatsiooni e kvantfüüsikalise täpsuspiirangu: mikroosakesi iseloomustavaid teatavaid suuruste paare, nt impulssi ja koordinaati, ei saa ühtaegu mõõta kuitahes täpselt. See on kõige kindlamalt jäädvustanud Heisenbergi nime füüsikalukku. Esialgu arvas Heisenberg, et see printsiip johtub häiretest, mida mõõtmisprotsess paratamatult põhjustab mikromaailmas. Bohr oli seevastu veendunud, et peamine põhjus peitub osakeste laineloomuses, on osakeste vältimatu omadus, toimugu mõõtmised või mitte. Pikkade vaidluste järel nõustus Heisenberg Bohriga.

Tähtis on ka Heisenbergi andam tuumafüüsikasse ja elementaarosakeste füüsikasse. 1932 esitas ta tuumade struktuuri teooria, mille järgi aatomituumad koosnevad prootonitest ja neutronitest, ja visandas tuumajõudude teooria. 1929 pani ta koos Pauliga aluse kvantelektrodünaamikale, andes väljade kvantiseerimise üldalused. Ta oli huvitunud ka loodusteaduse filosoofilistest probleemidest, kirjutas nende kohta rea raamatuid, kus ta kaitseb idealistliku filosoofia tunnetusteoreetilisi seisukohti. Heisenberg armastas klassikalist muusikat, mängis ise suurepäraselt klaverit. Filoloogi pojana oli ta kodus ka keeleteaduslikes küsimustes. Nõnda hoiatas ta, et jaapani füüsiku Yukava ettepanek nimetada üks vastavastatud osake mesotroniks, ei sobi kreeka keele struktuuriga, ja osake saigi nimeks hoopis meson.

Peale loenadamatute preemiate, autasude ja medalite oli W.Heisenberg ka mitmete ülikoolide audoktor ja paljude riikide teaduste akadeemiate liige.

Vastakaid arvamusi on esile kutsunud Heisenbergi osalemine hitlerliku Saksamaa tuumarelva loomise ürituses koguni selle juhina. Teatavasti polnud sellel edu. Kas oli see tahtlik sabotaaž või ei piisanud vahendeid ja oskusi? Heisenberg ise on küll vihjanud kõlbelistele kõhklustele, soovimatusele anda koletut relva natside käsutusse. Igatahes sattus USA valitsus, saanud luureandmeid, et Hitleri tuumaprojekti juhib Heisenberg ise, lausa ärevusse ja saatis 1944. aastal koguni palgamõrvari, kes pidi Heisenbergi loengu ajal neutraalses Šveitsis tulistama. Kummatigi agent, kuulnud lektori vihjeid Saksa aatomiprojekti hädisele seisule, jättis revolvri taskusse. Saksamaa vallutamise järel arreteeris liitlaste erimissioon Heisenbergi koos rea teiste Saksa füüsikutega ja toimetas nad Inglismaale. 1946. aastal interneeritud vabanesid ning Heisenberg sai tööle asuda Max Plancki instituudi direktorina Göttingenis.