Werner Heisenberg blev født den 5. december 1901 i Würzburg. Han var søn af Dr. August Heisenberg og hans kone Annie Wecklein. Hans far blev senere professor i mellem- og moderne græske sprog ved universitetet i München. Det var sandsynligvis på grund af hans indflydelse, at Heisenberg bemærkede, da den japanske fysiker Yukawa opdagede den partikel, der nu er kendt som meson, og udtrykket “mesotron” blev foreslået for det, at det græske ord “mesos” ikke havde noget “tr” i sig, med det resultat, at navnet “mesotron” blev ændret til “meson”.
Heisenberg gik på Maximilian-skolen i München indtil 1920, da han gik til universitetet i München for at studere fysik under Sommerfeld, Wien, Pringsheim og Rosenthal. I løbet af vinteren 1922-1923 tog han til Göttingen for at studere fysik under Max Born, Franck og Hilbert. I 1923 tog han sin ph.d. ved universitetet i München og blev derefter assistent for Max Born kl. universitetet i Göttingen, og i 1924 fik han venia legendi ved dette universitet.
Fra 1924 indtil 1925 arbejdede han sammen med en Rockefeller Grant med Niels Bohr ved Københavns Universitet og vendte tilbage til sommeren fra 1925 til Göttingen.
I 1926 blev han udnævnt til lektor i teoretisk fysik ved Københavns Universitet under Niels Bohr, og i 1927, da han kun var 26, blev han udnævnt til professor i teoretisk fysik ved universitetet i Leipzig.
I 1929 tog han en forelæsningstur til USA , Japan og Indien.
I 1941 blev han udnævnt til professor i fysik ved universitetet i Berlin og direktør for Kaiser Wilhelm Institute for Physics der.
I slutningen af anden Verdenskrig blev han og andre tyske fysikere taget til fange af amerikanske tropper og sendt til England, men i 1946 vendte han tilbage til Tyskland og reorganiserede sammen med sine kolleger Institut for Fysik i Göttingen. Dette institut blev i 1948 omdøbt til Max Planck Institute for Physics.
I 1948 blev Heisenberg i nogle måneder i Cambridge, England for at holde foredrag, og i 1950 og 1954 blev han inviteret til at holde foredrag i Forenede Stater. I vinteren 1955-1956 holdt han Gifford-foredragene ved University of St. Andrews, Skotland, hvorefter disse foredrag efterfølgende blev udgivet som en bog.
I løbet af 1955 var Heisenberg optaget af forberedelser til fjernelse af Max Planck Institute for Physics til München. Stadig direktør for dette institut, han tog med det til München og i 1958 blev han udnævnt til professor i fysik ved universitetet i München. Hans institut blev derefter omdøbt til Max Planck Institute for Physics and Astrophysics.
Heisenbergs navn vil altid være forbundet med hans teori om kvantemekanik, udgivet i 1925, da han kun var 23 år gammel. For denne teori og anvendelsen af den, som især resulterede i opdagelsen af allotropiske former for brint, blev Heisenberg tildelt Nobelprisen for fysik i 1932.
Hans nye teori var kun baseret på det, der kan observeres, det vil sige om den stråling, der udsendes af atomet. Vi kan ikke, sagde han, altid tildele en elektron en position i rummet på et givet tidspunkt eller følge den i sin bane, så vi ikke kan antage, at de planetbaner, der er postuleret af Niels Bohr, faktisk eksisterer. Mekaniske størrelser, såsom position, hastighed osv., Skal ikke repræsenteres ved almindelige tal, men ved abstrakte matematiske strukturer kaldet “matricer”, og han formulerede sin nye teori i form af matrixligninger.
Senere Heisenberg erklærede sit berømte usikkerhedsprincip, der fastslår, at bestemmelsen af en mobil partikels position og momentum nødvendigvis indeholder fejl, hvis produkt ikke kan være mindre end kvantekonstanten h, og at selvom disse fejl er ubetydelige på menneskelig skala , de kan ikke ignoreres i studier af atomet.
Fra 1957 og fremefter var Heisenberg interesseret i arbejde med problemer med plasmafysik og termonukleære processer og også meget arbejde i tæt samarbejde med International Institute of Atomic Physics at Genève. Han var i flere år formand for dette instituts videnskabelige politikudvalg og forblev derefter medlem af dette udvalg.
Da han i 1953 blev præsident o For Alexander von Humboldt Foundation gjorde han meget for at fremme denne fonds politik, som var at invitere forskere fra andre lande til Tyskland og hjælpe dem med at arbejde der.
Siden 1953 var hans eget teoretiske arbejde koncentreret om den samlede feltteori om elementære partikler, som synes at være nøglen til en forståelse af fysikken i elementære partikler.
Bortset fra mange medaljer og priser modtog Heisenberg en æresdoktorgrad ved Universitetet i Bruxelles, det teknologiske universitet i Karlsruhe og for nylig (1964) ved universitetet i Budapest; han er også modtager af fortjenstordenen i Bayern og Grand Cross for Federal Services with Star (Tyskland). Han er stipendiat fra Royal Society of London og ridder af orden for fortjeneste (fredsklasse). Han er medlem af videnskabsakademierne i Göttingen, Bayern, Sachsen, Preussen, Sverige, Rumænien, Norge, Spanien, Holland, Rom (Pontificial), den tyske Akademie der Naturforscher Leopoldina (Halle), Accademia dei Lincei (Rom ) og American Academy of Sciences. I løbet af 1949-1951 var han præsident for Deutsche Forschungsrat (tysk forskningsråd), og i 1953 blev han præsident for Alexander von Humboldt Foundation.
En af hans hobbyer er klassisk musik: han er en fremtrædende pianist. I 1937 blev Heisenberg gift med Elisabeth Schumacher. De har syv børn og bor i München.