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  維恩1864年1月13日出生在東普魯士(現俄羅斯)的菲施豪森(Fischhausen),他的父親卡爾·維恩(Carl Wien)是地主。1879年在拉斯滕堡、1880年至1882年在海德堡讀中學。中學畢業後,1882年在哥廷根大學學習數學,同年轉去柏林大學。1883年至1885年在赫爾曼·馮·亥姆霍茲的實驗室工作,1886年獲得博士學位,論文題目是光對金屬的衍射,以及不同材料對折射光顏色的影響。此後,由於維恩的父親生病,維恩不得不回去幫助管理他父親的土地。期間他有一個學期跟隨亥姆霍茲,1887年完成了金屬對光和熱輻射的導磁性實驗。  一直到1890年,父親的土地變賣後,維恩回到亥姆霍茲的身邊,作為他的助手在國家物理工程研究所工作,為工業課題做研究。1892年在柏林大學獲得大學任教資格。1896年前往亞琛工業大學物理學教授,以接替菲利普·萊納德,1899年在吉森大學任物理學教授,1900年赴維爾茨堡大學接替威廉·倫琴,同年出版了教科書《流體力學》(Hydrodynamik)。1902年,他曾被邀請接替玻爾茲曼出任萊比錫大學的物理學教授,1906年又被邀請接替保羅·德魯德出任柏林大學的物理學教授,但他拒絕了這兩個邀請。1920年底前往慕尼黑,再次接替倫琴,直到1928年逝世。  1898年與路易絲·梅勒(Luise Mehler)結婚,有4個孩子。威廉·維恩的表弟馬克斯·維恩(Max Wien)是高頻電子技術的先驅。

  在國家物理工程研究所,維恩與路德維希·霍爾伯恩(Ludwig Holborn)一起研究用勒沙特列(Le Chatelier)溫度計測量高溫的方法,同時對熱動力學進行理論研究,尤其是熱輻射的定律。1893年,維恩提出波長隨溫度改變的定律,後來被稱為維恩位移定律。  1894年他發表了一篇關於輻射的溫度和熵的論文,將溫度和熵的概念擴充套件到了真空中的輻射,在這篇論文中,他定義了一種能夠完全吸收所有輻射的理想物體,並稱之為黑體。1896年他又發表了維恩近似,給出了這種確定黑體輻射的關係式,提供了描述和測量高溫的新方法。現在它被證明僅適用於短波,但維恩的研究使得普朗克能夠用量子物理學方法解決熱平衡中的輻射問題。維恩也因為這一研究成果獲得了1911年的諾貝爾物理學獎。  1896年前往亞琛接替菲利普·萊納德後,他在那裡建立實驗室研究真空中的靜電放電,1897年開始研究陰極射線,藉助帶萊納德窗的高真空管,他確認了讓·佩蘭兩年前的發現,即陰極射線由高速運動的帶負電的粒子(電子)組成。幾乎與約瑟夫·湯姆孫在劍橋發現電子的同時,維恩用與湯姆孫不同的方法測量到了這些粒子帶電量和質量的關係,並且得出了與湯姆孫相同的結果,即它們的質量只有氫原子的一千分之一。  1898年維恩又研究了歐根·戈爾德施泰因發現的陽極射線,指出它們的帶正電量與陰極射線的帶負電量相等,他測量了它們在磁場和電場影響下的偏移,並得出陽極射線由帶正電的粒子組成,並且它們不比電子重的結論。維恩所使用的方法在約20年後形成了質譜學,實現了對多種原子及其同位素質量的精確測量,以及對原子核反應所釋放能量的計算。1900年維恩發表了一篇關於力學的電磁學基礎的理論論文,此後又繼續研究陽極射線,並在1912年發現,在並非高真空的環境下,氣壓不是非常弱時,陽極射線通過與殘餘氣體的原子碰撞,會在運動過程中損失並重得它們的帶電量。1918年他再次發表對陽極射線的研究結果,他測量了射線在離開陰極後,發光度的累積減少過程,通過這些實驗,他推斷出在經典物理學中所稱的原子發光度的衰退,對應於量子物理學中的原子處於活躍狀態的時間有限。  維恩的這些研究成果,為從牛頓的經典物理學向量子物理學過渡做出了貢獻,正像馬克斯·馮·勞厄(1914年諾貝爾物理學獎)所說的,維恩的不朽的榮耀是“他為我們開啟了通往量子物理學的大門”(英語:He led us to the very gates of quantum physics)。

  維恩是柏林、哥廷根、維也納、斯德哥爾摩、奧斯陸和華盛頓等科學學會的會員,法蘭克福物理學會的榮譽會員。  火星上有一個隕石坑以他的名字命名。
威廉·卡爾·維爾納·奧托·弗裡茨·弗蘭茨·維恩(Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien,1864年-1月13日-1928年-8月30日),德國物理學家,研究領域為熱輻射與電磁學等。1893年,維恩經由熱力學、光譜學、電磁學和光學等理論支援,發現了維恩位移定律,並應用於黑體等學術理論,揭開量子力學新領域。1911年,他因對於熱輻射等物理法則貢獻,而獲得諾貝爾物理學獎。