德國理論物理學傢，量子力學第一種有效形式（矩陣力學）的創建者。1901年12月5日生於維爾茲堡，出身於一位元教古希臘語言的中學教師傢庭，從小就受到傢庭在古代文學方面的薰陶。1920年中學畢業，進慕尼克大學學習理論物理學，在名師AA.索末菲指導下，第一學期就在解釋反常塞曼效應的譜線中首先引進瞭半量子數，而當時人們都認為量子數應該是整數。第二學期他結合聽流體力學課，寫出瞭一篇關於“卡門”渦流的絕對大小的論文，深得索末菲贊譽。索末菲決定要他在原子物理學和流體力學兩方面有所建樹。
當時原子物理的理論中心是哥本哈根和慕尼黑，自1921年起還有格丁根。1922年6月格丁根大學的 M.玻恩和J.夫蘭克邀請哥本哈根的N.玻爾作一系列關於原子物理和元素周期表的演講。索末菲應邀參加，也帶海森伯一同前去。每次演講後都進行熱烈的討論，而在一次討論中，當時年僅20歲的海森伯竟站起來對玻爾的某些論點提出異議，並勇敢地進行辯論。討論結束時玻爾約他當日下午一同去散步，以便繼續討論。這次與玻爾在散步中的長時間談話，對海森伯啟發很大，無怪乎他說，這次散步是他科學上成長的起點。
從1922年起，海森伯除1923年夏季一個學期回慕尼黑以《關於流體流動的穩定性和湍流》一文考取博士學位，和1924年冬一個學期在哥本哈根玻爾那裡工作外，到1926年夏一直在格丁根跟玻恩工作，並在1924年 7月以《關於量子論的形式規律在反常塞曼效應問題上的更改》一文升為講師。1925年初夏海森伯從哥本哈根回格丁根後，試圖用實驗所能觀察的光譜線的頻率和強度(即振幅)的整體來代替看不見的電子軌道，以計算氫原子譜線的強度。但對氫原子這方法在數學上過於復雜，而改用一個比較簡單的非諧振子進行計算。正在這時候，他患瞭枯草熱病，告假去北海赫耳戈蘭島休養。這就給瞭他專心計算的機會。結果證明，這種隻用可觀察量的處理方法是可行的。回格丁根後就寫成瞭奠定量子力學基礎的《關於運動學和力學關系的量子論新釋》一文發表。繼而玻恩和E.P.約旦後來又同海森伯一道在此基礎上加以發展而成為“矩陣力學”。
量子力學問世不久，E.薛定諤從L.V.德佈羅意的物質波假設出發的另一種量子力學形式也相繼出現，並且他還證明，這種所謂波動力學內容上與矩陣力學完全相同。量子力學的數學形式雖已找到，但其物理意義尚不清楚。1927年海森伯終於從他堅信是正確的量子力學數學形式中得出瞭測不準關系。它和玻恩的波函數幾率解釋一起，奠定瞭量子力學詮釋的物理基礎。
1927年海森伯被萊比錫大學聘為理論物理教授。他以後的工作除將量子力學應用於具體問題如解釋許多原子和分子光譜、鐵磁現象等外，總是在物理學的前沿作新探索。他同W.泡利一道曾為量子場論的建立打下基礎(1929)；發現中子後(1932)，他就提出原子核由質子和中子構成，並把它們看作是同一種粒子（核子）的兩種不同狀態，這是基本粒子特性同位旋概念的先驅；接著又研究宇宙射線以探索什麼是基本粒子。海森伯後來從宇宙射線和高能加速器發現的許多新的基本粒子，其中沒有可以看作一般基本粒子的組成部分的更小的碎片這一事實出發，認為凡是符合能量和動量守恒定律以及有關粒子的“耦合”對稱性的這些粒子，總是能夠互相轉變，它們不過是同一“物質”層次的不同特殊狀態。於是他為這一層次設想瞭一個非線性數學方程(1958)，據說它的解應該給出這些基本粒子的質量、耦合強度和對稱性等。然而這個所謂“宇宙方程”（這名稱不是出於海森伯自已）由於數學上很難解以及其他物理原因並沒有成功。
為瞭表彰他在科學上的重大貢獻──建立量子力學，海森伯獲得1932年諾貝爾物理學獎，並獲得馬克斯·普朗克獎章。
1933年納粹攫取德國政權後，瘋狂排斥猶太人，大學裡的猶太裔教授全被解職，紛紛逃亡國外，海森伯對此頗為憤慨，也想離開德國，M.普朗克則勸他不要出走，留在國內培養一批年輕人，為將來復興國傢的科學事業作好準備。1933年11月11日在萊比錫舉行瞭德國科學傢擁護納粹政權的示威集會，他拒不出席；納粹政權要求德國諾貝爾獎獲得者在1934年8月 19日表示“民意”的宣言上簽名，他同普朗克和M.von勞厄也都拒絕。第二次世界大戰前夕，海森伯接到服役命令，要他到國防部軍械局報到，任務是同一個小組（其中有W.G.博特、C.F.von魏茨澤克、W.革拉赫等物理學傢）研究原子能的利用問題。這項工作引起國外科學傢對海森伯的責難。這個小組的部分成員包括海森伯、魏茨澤克在內在德軍崩潰時先後被美軍俘虜。他們連同核裂變發現者O.哈恩和勞厄共10人監禁在英國，約一年後才被遣返回德國。德意志聯邦共和國成立後，海森伯在格丁根和其他著名科學傢18人發表公告，反對聯邦政府發展核武器，還與政府協議成立德國科學研究委員會作為政府的科學顧問，以協調政府與科學傢之間的矛盾。這些主張都得到實現。
從1942年 4月起他任當時威廉皇帝協會在柏林的物理研究所所長，戰後在格丁根繼續領導並重建瞭這個現已改為馬克斯·普朗克協會的物理和天體物理研究所，並於1958年與所一同遷到慕尼黑。他主張國際間學術交往，以互促科學的發展，因而曾擔任聯邦德國為國外學者提供資助的洪堡基金會主席多年；也曾擔任過德國科學研究委員會主席。
海森伯的治學之道是直覺。他善於抓住現象的本質，認為數學的嚴格性則在其次，他又能機巧地繞之而過。在他看來重要的是，對於所發現的現象也應該用非同一般的語言來加以闡述，並且非常認真地對待他自己的這種看法。他好談哲學，但不是一個專業哲學傢。他的哲學研究是同現代物理學的研究結合起來的，因而顯得生動而富有活力。
科學產生於交談之中，是海森伯堅信不移的信念之一。他也試圖同思想不同的人，同其他學科的代表人物，同宗教信仰者，同哲學傢交談。他深感人與人之間因精神生活的不同而愈趨隔閡，因而試圖用一種共同語言將自然科學和人文科學、藝術和宗教聯系起來。在這方面他以N.玻爾為榜樣是有經驗的，因為在他看來，即使在嚴密的自然科學中，當人們踏進一個新的領域時，也往往能用圖像和譬喻來作解釋。
在海森伯看來，科學研究和生活是一體。這可從他的公開演講和面對廣大群眾的文章中感覺得到。我們還可以感覺到他在自然界事物的背後尋找一個中心秩序。他在基本粒子行為的對稱性中像2500年前柏拉圖那樣看到瞭這種秩序的體現。他很想知道他的基本粒子統一場論是否像他所期望的那樣，真的描繪瞭微觀世界的實際情況。可惜他的這個最後願望未及實現。1976年2月1日他在慕尼黑傢中逝世。
他為人善良、活潑、樂觀，和藹可親，容易接近，喜歡運動，青年時常和同伴作徒步旅行，他愛好音樂，經常與音樂愛好者舉行傢庭音樂會。他留下的著作有《量子論的物理原理》、《原子核物理》，演講集《嚴密自然科學基礎的變化》和《跨越界限》、《物理學和哲學》，自傳性質的《部分與整體》等。