Würzburgban született, a müncheni egyetemen tanult elméleti fizikát későbbi munkatársával Wolfgang Paulival együtt. 22 évesen szerzett doktorátust, majd Göttingenben Max Born asszisztense lett. 1924-27 közt Koppenhágában dolgozott Niels Bohr mellett. Felismerte a Bohr-atommodell hiányosságait. Ez - az atommag körül az elektronok meghatározott pályákon keringenek - megfelelt a korábbi ismereteknek, de nehezen lehetett összhangba hozni az újabb megfigyelésekkel. Ezért a kvantummechanikát az atomi rendszerekre is alkalmazta, s azt hirdette, hogy az atomi világban teljesen át kell értelmezni a mechanika elveit. Miután Max Born felismerte, hogy e számtömbökre a mátrixalgebra érvényes, Pascual Jordannal hárman kidolgozták a kvantummechanika mátrixmechanikáját. Eszerint a fizikai változók lehetséges értékeit egy-egy végtelen mátrix adja meg, s ezek elemeiből határozható meg valamely állapot előfordulásának, s az egyes állapotok közti átmeneteknek a valószínűsége. 1927-ben fogalmazta meg határozatlansági elvét, eszerint egyetlen részecske sebességét és helyzetét sem lehet egyidejűleg pontosan megmérni, a két adat együttesen nem értelmezhető. A szabály kimondja, hogy a helyzet és sebesség bizonytalanságának szorzata nagyobb vagy egyenlő 10 a mínusz 24-diken joule-szekundumnál. A hétköznapi életben nem érzékeljük e kis határozatlanságot, az atomi részecskéknél azonban jelentős. Ez a szubatomi elemek kettős, részecske- és hullámtermészetéből fakad. E felismerés értelmezésén később is sokat vitatkoztak. 1927-41 közt a lipcsei egyetem fizikaprofesszora, majd 1942-45 között a berlini fizikai kutatóintézet igazgatója volt. 1932-ben a neutron felfedezésekor elsőként tárgyalta elméletileg a protonokból és neutronokból álló atommagot. 1934-ben kidolgozta az atommag nukleon modelljét. Fontos eredményei vannak a szupravezetés és turbulencia-elmélet terén is. 1932-ben a kvantummechanika megteremtéséért fizikai Nobel-díjat kapott. Ellenezte ugyan a náci politikát, de nem lépett fel ellenük. A világháború alatt Otto Hahnnal, az atombomlás egyik felfedezőjével egy reaktor létrehozásán dolgozott, ám ez nem valósult meg. A háború után Heisenberg lett a göttingeni Max Planck Fizikai Kutatóintézet vezetője. 1958-tól olyan nem lineáris differenciálegyenletekkel foglalkozott, amelyek az anyag összes lehetséges állapotát leírják. Kvantummechanikai munkássága kihatott az atom- és magfizika fejlődésére. Fő műve A kvantumelmélet fizikai alapjai, könyveket írt a kvantummechanikáról, az atomfizikáról és a kozmikus sugárzásról. Münchenben hunyt el 1976. február 1-jén.