H
eisenberg sinh năm 1901 tại Würzburg, nước Đức. Mùa hè năm 1920, Heisenberg tốt nghiệp trung học và bước vào trường Đại học Munich. Trong hai năm đầu tiên, anh đã cho xuất bản bốn bài báo nghiên cứu vật lý. Ở tuổi 20, chàng thanh niên Heisenberg đã là một trong số những người có đóng góp nhiều cho sự phát triển của vật lý lý thuyết. Heisenberg hoàn thành khóa học trong 3 năm, và năm 1923, bắt đầu làm luận án tiến sĩ về sự nhiễu loạn của dòng chất lưu.
Heisenberg nhận bằng Tiến sĩ vật lý năm 1923 tại trường Đại học Munich. Năm 1925, Werner Heisenberg đề xuất một hệ thống nguyên lí mới trong vật lý học, khác hoàn toàn so với các nguyên lí cổ điển của Newton. Học thuyết mới này sau vài lần được sửa đổi bởi những người kế tiếp Heisenberg đã thành công rực rỡ. Ngày nay nguyên lí này được chấp nhận và ứng dụng trong tất cả hệ thống vật lý không kể loại hình hay kích cỡ nào. Có thể chứng minh một cách chính xác rằng các nguyên lí cổ điển chỉ đúng khi liên quan đến những hệ thống vật thể lớn, những dự đoán của ngành cơ học lượng tử khác cơ học cổ điển ở tổng số, nó quá nhỏ bé để có thể đo được (vì lí do này, ngành cơ học cổ điển đơn giản hơn rất nhiều so với ngành cơ học lượng tử, nó vẫn được sử dụng trong hầu hết các ngành khoa học liên quan đến tính toán). Tuy nhiên, những lĩnh vực liên quan đến nguyên tử, nhiều thí nghiệm đã chỉ ra rằng trong nhiều trường hợp, những dự đoán của ngành cơ học định lượng khác căn bản so với ngành cơ học cổ điển.
Heisenberg đã phát triển dạng đầu tiên của cơ học lượng tử, gọi là cơ học ma trận. Ông giải thích sự chuyển động của điện tử trong một nguyên tử dưới dạng thuần túy toán học. Những phương trình của ông cho phép giải thích trạng thái hiện có của điện tử, điều mà các nhà khoa học trước đó không thể giải thích được. Heisenberg thấy rõ rằng các định luật của vật lý cổ điển không chi phối các sự kiện ở cấp độ lượng tử. Chẳng hạn, điện tử không chuyển động theo quy luật của vật lý cổ điển và quỹ đạo hạt nhân của một nguyên tử không theo một đường xác định như quỹ đạo của các hành tinh quanh Mặt trời.
Cơ học ma trận của Heisenberg dự báo hidro phân tử tồn tại trong hai dạng riêng biệt, gọi là octohidro và parahidro. Hai dạng này sinh ra từ một thuộc tính của nguyên tử, gọi là spin. Năm 1925, Heisenberg đã dự đoán spin của hai nguyên tử hidro là cùng chiều trong parahdro và ngược nhau trong octohidro. Dự đoán của ông đã sớm được xác nhận bằng thực nghiệm. Năm 1932, Heisenberg được giải Nobel vật lý vì những đóng góp trong cơ học lượng tử và sự tiên đoán của ông về hai kiểu hidro phân tử.
Với sự phát triển của cơ học ma trận, Heisenberg trở thành một trong những nhà sáng lập ra cơ học lượng tử. Vào cùng thời điểm Heisenberg phát triển cơ học ma trận, nhà vật lý người Áo Schrödinger đã trình bày một cách để mô tả các hạt dưới dạng xác suất trong đó bất kỳ đặc trưng nào của chúng đều có một giá trị xác định. Schrödinger về sau đã chỉ ra rằng cả hai cách tiếp cận của ông và của Heisenberg đều mang lại kết quả như nhau.
Năm 1927, Heisenberg trở thành giáo sư vật lý lý thuyết ở trường Đại học Leipzig. Cùng năm đó, ông cho xuất bản bài báo giải thích về nguyên lý bất định xuất phát từ cơ học ma trận của ông. Bằng các tính toán, ông đã chỉ ra rằng chúng ta không thể biết được chính xác đồng thời cả vận tốc và vị trí của một hạt ở cùng thời điểm. Nếu chúng ta càng đo chính xác một đại lượng thì độ bất định lại càng lớn trong phép đo đại lượng kia. Hệ quả của nguyên lý bất định là sự mô tả trong cơ học lượng tử chỉ đạt được một giá trị xác suất tương đối chứ không phải là những con số chính xác.
Nguyên lí bất định do ông đưa ra được coi là một trong những nguyên lí có ảnh hưởng sâu rộng nhất trong các ngành khoa học. Nó chỉ ra những giới hạn của các học thuyết dựa trên khả năng của chúng ta trong việc đo lường theo phương pháp khoa học. Sự hàm ý của nguyên lí này rất lớn. Nếu như những quy luật cơ bản của vật lý học chống lại một nhà khoa học, thậm chí trong những điều kiện, hoàn cảnh lí tưởng nhất, khi đang trong những nỗ lực khám phá ra hệ thống kiến thức đúng đắn, một điều hiển nhiên là chúng ta hoàn toàn không thể dự đoán trước được tương lai của những nguyên lí đó. Theo nguyên lí này, không có sự cải tiến nào trong những dụng cụ đo lường cho phép chúng ta khắc phục khó khăn này.
Nguyên lí bất định đảm bảo rằng ngành vật lý học, trong bản chất của những hiện tượng, không có khả năng làm nhiều hơn những dự đoán thống kê. Ví dụ: Một nhà nghiên cứu phóng xạ có thể có khả năng dự đoán hàng tỉ nguyên tố radium sẽ cạn kiệt, hai triệu tia gamma sẽ phát ra những tia phóng xạ trong suốt ngày hôm sau. Tuy nhiên, ông ta không thể dự đoán nguyên tử radium đặc biệt nào có thể làm được như vậy.
Trong nhiều trường hợp, đây không phải là sự hạn chế lớn. Khi liên quan đến những con số rất lớn, phương pháp thống kê cung cấp cơ sở cơ bản đáng tin cậy, nhưng khi liên quan đến những con số rất nhỏ, phương pháp thống kê thực sự không đáng tin cậy. Thực tế, đối với những hệ thống nhỏ, nguyên lí bất định buộc chúng ta phải từ bỏ những quan hệ nhân quả chặt chẽ của vật lý học. Kết quả này đưa tới những thay đổi trong quan điểm cơ bản của triết học.
Rõ ràng, từ những quan điểm của thuyết lượng tử tới những phạm vi rộng lớn hơn, thậm chí ngay cả đối với Thuyết vạn vật hấp dẫn đã làm thay đổi những quan niệm cơ bản về thế giới vật chất của chúng ta. Tuy vậy, những kết quả của học thuyết này không chỉ mang tính triết học. Những ứng dụng thực tế của học thuyết này là những thiết bị hiện đại như kính hiển vi điện tử, tia laze, bóng đèn bán dẫn. Thuyết lượng tử cũng mở rộng phạm vi ứng dụng của nó trong những lĩnh vực vật lý hạt nhân và năng lượng nguyên tử. Nó hình thành nên những kiến thức cơ bản về quang phổ và ứng dụng ở phạm vi lớn trong lĩnh vực thiên văn học và hoá học. Thuyết lượng tử còn được sử dụng như là tiền đề để khám phá nhiều lĩnh vực khác như đặc tính của khí hêli lỏng, kết cấu bên trong của các vì sao, phóng xạ.
Năm 1942, Heisenberg trở thành giáo sư Đại học Berlin và Viện trưởng Viện Vật lý Kaiser Wilhelm. Trong chiến tranh thế giới lần thứ hai (1939-1945) ông vẫn ở lại nước Đức (Quốc xã) trong khi nhiều đồng nghiệp của ông đã chạy trốn ra nước ngoài. Ông là người lãnh đạo nhóm nghiên cứu nguyên tử của Đức mặc dù ông chống lại các chính sách của chế độ Quốc xã. Ông làm việc cùng Otto Hahn, một trong những người khám phá ra sự phân hạch nhưng nhóm người Đức đã không phát triển vũ khí hạt nhân.
Kết thúc chiến tranh, nước Mỹ bắt Heisenberg vì vai trò của ông trong chương trình hạt nhân của Đức và giam giữ ông 9 tháng ở nước Anh. Năm 1946, Heisenberg trở về Đức và làm giáo sư vật lý và Viện trưởng Viện Vật lý và Thiên văn Max Planck (Viện Kaiser Wilhelm trước kia) ở Göttingen. Viện này chuyển đến Munich năm 1958 và Heisenberg cũng chuyển đến, tiếp tục làm Viện trưởng cho đến lúc mất.