Werner Heisenberg ble født 5. desember 1901 i Würzburg. Han var sønn av Dr. August Heisenberg og hans kone Annie Wecklein. Faren ble senere professor i mellom- og moderne gresk språk ved universitetet i München. Det var sannsynligvis på grunn av hans innflytelse at Heisenberg bemerket, da den japanske fysikeren Yukawa oppdaget partikkelen som nå er kjent som meson og begrepet «mesotron» ble foreslått for det, at det greske ordet «mesos» ikke har noe «tr» i seg, med det resultatet at navnet «mesotron» ble endret til «meson».
Heisenberg gikk på Maximilian-skolen i München til 1920, da han gikk til universitetet i München for å studere fysikk under Sommerfeld, Wien, Pringsheim og Rosenthal. I løpet av vinteren 1922-1923 dro han til Göttingen for å studere fysikk under Max Born, Franck og Hilbert. I 1923 tok han doktorgraden ved universitetet i München og ble deretter assistent for Max Born kl. universitetet i Göttingen, og i 1924 fikk han venia legendi ved dette universitetet.
Fra 1924 til 1925 jobbet han sammen med en Rockefeller Grant, sammen med Niels Bohr, ved Universitetet i København, tilbake for sommeren av 1925 til Göttingen.
I 1926 ble han utnevnt til lektor i teoretisk fysikk ved Københavns universitet under Niels Bohr, og i 1927, da han bare var 26, ble han utnevnt til professor i teoretisk fysikk ved Universitetet i Leipzig.
I 1929 dro han på forelesningstur til USA , Japan og India.
I 1941 ble han utnevnt til professor i fysikk ved Universitetet i Berlin og direktør for Kaiser Wilhelm Institute for Physics der.
På slutten av andre Verdenskrig ble han og andre tyske fysikere tatt til fange av amerikanske tropper og sendt til England, men i 1946 kom han tilbake til Tyskland og omorganiserte, sammen med sine kolleger, Institute for Physics i Göttingen. Dette instituttet ble i 1948 omdøpt til Max Planck Institute for Physics.
I 1948 ble Heisenberg noen måneder i Cambridge, England, for å holde foredrag, og i 1950 og 1954 ble han invitert til å holde foredrag i Forente stater. Vinteren 1955-1956 holdt han Gifford-forelesningene ved University of St. Andrews, Skottland, og disse forelesningene ble senere utgitt som en bok.
I løpet av 1955 var Heisenberg opptatt av forberedelser for fjerning av Max Planck Institute for Physics til München. Fortsatt direktør for dette instituttet, dro han med det til München, og i 1958 ble han utnevnt til professor i fysikk ved universitetet i München. Hans institutt ble da omdøpt til Max Planck Institute for Physics and Astrophysics.
Heisenbergs navn vil alltid være knyttet til hans teori om kvantemekanikk, utgitt i 1925, da han bare var 23 år gammel. For denne teorien og anvendelsene av den som spesielt resulterte i oppdagelsen av allotropiske former for hydrogen, ble Heisenberg tildelt Nobelprisen for fysikk for 1932.
Hans nye teori var bare basert på det som kan observeres, det vil si på strålingen som sendes ut av atomet. Vi kan ikke, sa han, alltid tildele et elektron en posisjon i rommet til et gitt tidspunkt eller følge den i sin bane, slik at vi ikke kan anta at planetbanene postulert av Niels Bohr faktisk eksisterer. Mekaniske størrelser, som posisjon, hastighet osv., Skal ikke representeres av vanlige tall, men av abstrakte matematiske strukturer kalt «matriser», og han formulerte sin nye teori i form av matriseligninger.
Senere Heisenberg uttalte sitt berømte usikkerhetsprinsipp, som legger fast at bestemmelsen av posisjonen og momentet til en mobil partikkel nødvendigvis inneholder feil, hvis produkt ikke kan være mindre enn kvantekonstanten h, og at selv om disse feilene er ubetydelige på menneskelig skala , de kan ikke ignoreres i studier av atomet.
Fra 1957 og fremover var Heisenberg interessert i arbeidet med problemer med plasmafysikk og termonukleære prosesser, og også mye arbeid i nært samarbeid med International Institute of Atomic Physics at Genève. Han var i flere år styreleder for den vitenskapelige politikkomiteen ved dette instituttet og ble deretter medlem av denne komiteen.
Da han i 1953 ble president o av Alexander von Humboldt-stiftelsen, gjorde han mye for å fremme denne stiftelsens politikk, som var å invitere forskere fra andre land til Tyskland og hjelpe dem til å jobbe der.
Siden 1953 var hans eget teoretiske arbeid konsentrert om den enhetlige feltteorien om elementære partikler som synes å være nøkkelen til en forståelse av fysikken til elementære partikler.
Bortsett fra mange medaljer og priser, mottok Heisenberg en æresdoktorgrad ved Universitetet i Bruxelles, ved det teknologiske universitetet i Karlsruhe, og nylig (1964) ved Universitetet i Budapest; han er også mottaker av fortjenesteordenen i Bayern, og storkorset for føderale tjenester med Star (Tyskland). Han er stipendiat i Royal Society of London og en ridder av orden av fortjeneste (fredsklasse). Han er medlem av Academies of Sciences i Göttingen, Bayern, Sachsen, Preussen, Sverige, Rumania, Norge, Spania, Nederland, Roma (Pontificial), den tyske Akademie der Naturforscher Leopoldina (Halle), Accademia dei Lincei (Roma ), og American Academy of Sciences. I løpet av 1949-1951 var han president for Deutsche Forschungsrat (German Research Council) og i 1953 ble han president for Alexander von Humboldt Foundation.
En av hans hobbyer er klassisk musikk: han er en fremtredende pianist. I 1937 giftet Heisenberg seg med Elisabeth Schumacher. De har syv barn, og bor i München.