A Düsseldorfban született filmes keresztneve holland anyjától származik, a szigorú német hatóságok azonban a "helytelen" német alak miatt Wilhelmként anyakönyvezték. Orvosi és filozófiai tanulmányok után sikertelenül próbált bejutni a párizsi képzőművészeti akadémiára, és egy ideig vésnök volt. Végül a müncheni filmfőiskolát végezte el, 1968 forró nyarán felfüggesztett börtönbüntetést kapott, mert a diáktüntetések során ellenállt a letartóztatásnak.

Első filmjét 1970-ben rendezte Nyár a városban címmel, tisztelgésként az amerikai The Lovin' Spoonful rockegyüttes híres dala előtt. Ezután Peter Handke A kapus félelme a tizenegyesnél című kisregényét vitte filmre, a nemzetközi hírnevet a Nathaniel Hawthorne regényéből készült A skarlát betű hozta meg számára 1973-ban. A hetvenes évek első felében – elsősorban a Szelíd motorosok hatására – néhány road movie-t forgatott, első angol nyelvű filmjét, Az amerikai barát című thrillert 1977-ben készítette Dennis Hopper főszereplésével.
Francis Ford Coppola hívására Hollywoodba utazott, de rövid idő után, kiábrándulva hazatért. 1982-ben Portugáliában forgatta A dolgok állását. A filmes utalásokkal tűzdelt alkotás egy stábról szól, amely munka közben kifogy a pénzből, és kiérdemelte a velencei filmfesztivál nagydíját, az Arany Oroszlánt.

1984-ben New Yorkban a színész-rendező Sam Shepard darabja alapján írta és forgatta a vándorlásról és az otthonkeresésről szóló Párizs, Texas című alkotását, amellyel elnyerte a cannes-i fesztivál Arany Pálma-díját és a BAFTA-díjat. A múlt századi Európa történelmi szimbólumaként ábrázolt, megosztott városban játszódó Berlin fölött az ég (1987) az álmokról és a reményről szól, az öt évvel későbbi, Távol és mégis oly közel című folytatás lehangoló képet fest az újraegyesült városról. A rendező régi vágya teljesült, amikor 1991-ben filmre vitte a világ négy földrészén, több mint tíz országban forgatott A világ végéig című alkotást.

Wenders színészként tűnt fel a Berlin, a moziváros című filmben. 1995-ben Michelangelo Antonioni segítségére sietett a Túl a felhőkön című romantikus dráma munkálatainál, miután az idős olasz rendezőt agyvérzés érte. Három évvel később az idős kubai zenészek alkotta, legendás Buena Vista Social Clubról forgatott dokumentumfilmért először jelölték Oscar-díjra.
A zenerajongó, közismerten nagy lemezgyűjteménnyel rendelkező Wenders egyik rendezője volt Martin Scorsese A blues című ismeretterjesztő tévésorozatának, és filmet forgatott a BAP nevű kölni rockegyüttesről is. Több fotókiállítása volt, írt esszékötetet, rendezett videoklipet és több olasz reklámfilmet. A U2 énekesével, Bonóval kibontakozó együttműködése eredményezte A millió dolláros hotel című, az álom és a valóság határán játszódó filmet. 2004-ben A bőség földje címmel korunk Amerikájáról rendezett sötét humorú, elevenbe vágó filmesszét, amelyet a Kívül tágasabb, majd a Halál Palermóban című filmdrámák követtek.

Az új évezredben az ENSZ fejlesztési programjának készített a szegénység leküzdését támogató kisfilmet, majd a kortárs táncművészet 2009-ben elhunyt neves alakjáról, Pina Bauschról forgatott dokumentumfilmet, ebben a műfajban elsőként alkalmazva a 3D technikát. A táncot, zenét és filmet ötvöző "összművészeti" alkotás megkapta a legjobb dokumentumfilmnek járó Európai Filmdíjat, a dokumentumfilmek és a legjobb idegen nyelvű filmek között is jelölték az Oscar-díjra. Wenders 2015-ben harmadik alkalommal izgulhatott az Oscar-gálán a Sebastiao Salgado brazil fotográfusról forgatott, A Föld sója című életrajzi dokumentumfilmjéért - ezúttal is üres kézzel kellett távoznia, de a francia César-díjjal és a cannes-i filmfesztiválon a zsűri különdíjával vigasztalódhatott.

Ezután Peter Zumthor svájci építészről forgatott filmet a velencei építészeti biennáléra, a televízió számára készült A kultúra katedrálisai című háromdimenziós sorozat keretében pedig a Berlini Filharmonikusok koncerttermét mutatta be. 2015-ben a berlini filmfesztiválon vetítették Every Thing Will Be Fine című, háromdimenziós technológiával készült családi drámáját. 2017-ben Ferenc pápáról készített dokumentumfilmet a Vatikán közreműködésével, majd J. M. Ledgard regényéből készített romantikus thrillert Merülés a szerelembe címmel. 2017-ben mutatkozott be operarendezőként: a Berlini Állami Operaházban Bizet Gyöngyhalászok című operáját vitte színre Daniel Barenboim dirigálásával.

A rendező 2003 és 2017 között a hamburgi Képzőművészeti Akadémián tanított. 2015-ben vehette át a Berlinale tiszteletbeli Arany Medve-díját életművéért. 1989-ben ő volt Cannes-ban a zsűri elnöke, 1996-ban megválasztották az Európai Filmakadémia elnökének, a tisztségben a szervezetet megalapító Ingmar Bergmant követi. Életműve összefogására 2012-ben alapítványt hozott létre, a fiatal filmeseket támogató Wim Wenders-ösztöndíjat 2014-ben írták ki először. A New York-i Modern Művészetek Múzeuma (MoMA) öt éve retrospektív vetítéssorozattal tisztelgett művészete előtt. Több filmfesztiválon is életműdíjat kapott a filmkultúrában és a filmiparban betöltött kiemelkedő szerepének elismeréseként. A német mozik a közelmúltban kezdték játszani az Eric Friedler és Andreas Frege rendezésében készült, Wim Wenders, Desperado című dokumentumfilmet.