A Düsseldorfban született Wenders 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. 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 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 1977-ben készítette Az amerikai barát címmel.

Francis Ford Coppola hívására Hollywoodba utazott, de Amerikából kiábrándulva tért vissza. Az 1982-ben Portugáliában forgatott, a filmes utalásokkal tűzdelt A dolgok állása egy stábról szól, amely munka közben kifogy a pénzből, ezzel a filmjével 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 fődíját. A múlt századi Európa történelmi szimbólumaként ábrázolt, megosztott városban játszódó Berlin fölött az ég (1987) az álmokról és a reményről szól, az 1992-es folytatás (Távol és mégis oly közel) lehangoló képet fest az újraegyesült városról. A két angyal történetének amerikai változata is elkészült, ennek forgatókönyvét is ő jegyezte. 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. 1998-ban az idős kubai zenészek alkotta, legendás Buena Vista Social Clubról forgatott dokumentumfilmért először jelölték Oscar-díjra. 1995-ben Michelangelo Antonioni segítségére sietett a Túl a felhőkön című romantikus dráma munkálatainál, miután az idős olasz rendezőt agyvérzés érte.

A zenerajongó, közismerten nagy lemezgyűjteménnyel rendelkező művész Martin Scorsese felkérésére egyik rendezője volt A blues című ismeretterjesztő tévésorozatnak, és filmet forgatott a BAP nevű kölni rockegyüttesről is. Több fotókiállítása volt, írt esszékötetet, rendezett videoklipet és több olasz reklámfilmet. Az ír U2 együttes 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. Ezután a kortárs táncművészet neves alakjáról, Pina Bauschról szóló dokumentumfilmbe fogott, e műfajban elsőként alkalmazva a 3D technikát. A táncosnő nem sokkal később, 2009-ben váratlanul meghalt, Wenders abba akarta hagyni a munkát, de Bausch társulatának kérésére végül mégis befejezte a forgatást. A táncot, zenét és filmet ötvöző "összművészeti" alkotás megkapta a legjobb dokumentumfilmnek járó Európai Filmdíjat, ebben a kategóriában jelölték az Oscar-díjra, emellett első német dokumentumfilmként versenyben volt a legjobb idegen nyelvű filmek között is. A rendezőt idén harmadik alkalommal jelölték az amerikai filmakadémia legrangosabb díjára a Sebastiao Salgado brazil fotográfusról forgatott, A Föld sója című életrajzi dokumentumfilmjéért. Munkája megkapta a francia César-díjat, és Cannes-ban a zsűri különdíjával ismerték el. Legutóbb Peter Zumthor svájci építészről forgatott filmet a velencei építészeti biennáléra, a televízió számára A kultúra katedrálisai című háromdimenziós sorozat keretében a Berlini Filharmonikusok koncerttermét mutatta be.

A rendezőt 1996-ban megválasztották az Európai Filmakadémia elnökének, a tisztségben az EFA-t alapító svéd Ingmar Bergmant követi. Az idei berlini nemzetközi filmfesztiválon, ahol tiszteletbeli Arany Medve-díjjal tüntették ki életművéért, versenyen kívül mutatták be Every Thing Will Be Fine (Minden rendben lesz) című, háromdimenziós technológiával készült családi drámáját.

Életműve összefogására két éve alapítványt hozott létre, a fiatal filmeseket támogató Wim Wenders-ösztöndíjat 2014-ben írták ki először. A New York-i Museum of Modern Art (MoMA) idén márciusban retrospektív vetítéssorozattal tisztelgett a német rendező művészete előtt. Egy közelmúltban adott nyilatkozata szerint arra készül, hogy tévésorozatot forgasson, mert úgy érzi, jelenleg ez a filmkészítés legizgalmasabb területe.