William étudie au collège de Harvard (1855-1860) où il obtient son diplôme de médecine en 1869. Il enseigne ensuite à la faculté de philosophie de cette même université, entre autres avec Charles Sanders Peirce et John Dewey.
Dans les années 1870-1880, William James s'intéresse aux questions liées au mal, à l'hypnose et à la méditation. En parallèle, il est très actif dans le mouvement spiritueliste américain, qui revendique la communication avec les morts via des phénomènes paranormaux.
En 1890, William James publie son ouvrage magistral "Principles of Psychology", livre de référence pour plus d'un demi-siècle et qui marque un tournant dans la psychologie américaine. Dans ce texte, il développe sa théorie des fonctions psychiques (cognitive, affective et conative) et met l'accent sur le rôle de l'expérience individuelle dans la formation du caractère.
En 1897, William James est nommé président de la Society of Experimental Metaphysics, une association qui se consacre à l'étude des phénomènes paranormaux et où il défend une approche empirique dans ces domaines. Au début du XXe siècle, il devient le porte-parole des idées progressistes aux États-Unis.
William James est également un fervent partisan de la théorie de l'évolution, qu'il met en relation avec sa vision du développement individuel et collectif. Il se montre un fervent défenseur des droits des minorités et de la démocratie participative.
Dans les dernières années de sa vie, William James se consacre davantage à des questions religieuses et philosophiques telles que l'immortalité du moi, le libre-arbitre et la religion pratique. Il meurt en 1910 à l'âge de 68 ans.
Sa réputation est aujourd'hui universellement reconnue et il reste un des pères fondateurs de la psychologie moderne, dont les idées ont influencé tant des courants psychologiques et philosophiques qu'aujourd'hui encore.