Вилхелм Рьонтген е роден на 27 март 1845 година в Ленеп, Германия, като единствен син на собственика на текстилна фабрика. Първоначално посещава техническото училище в Утрехт, а после се премества в Цюрих. Завършва Цюрихската политехника и получава диплома за машинен инженер. Следващите години защитава дисертация на тема "Изследвания на газовете".
В началото на кариерата му обаче никой не предполагал, че името му ще се свързва именно с това. Като син на богат индустриалец бъдещето на Рьонтген било предопределено - всички вярвали, че ще наследи фабриката на баща си и ще се впише в образа на самодоволен буржоа. Той обаче изненадал всички и станал един от най-младите професори в Германия.
Рьонтген става професор по физика в Страсбург, след това - професор в Хесен и директор на Физическия институт. По-късно Рьонтген е професор по експериментална физика във Вюрцбургския университет. След 5 години е избран там за ректор на университета. В този град прави и голямото си откритие — Х-лъчите.
Следващите години работи в Мюнхенския университет. Първата му научна статия е върху специфичната топлоемкост на газовете. Публикува трудове, свързани с топлинната проводимост на кристалите и влиянието на налягането върху индекса на пречупване, преминаване на поляризирана светлина през магнитно поле и други.
През 1919 Рьонтген става почетен член на Немското физическо дружество.
Рьонтген умира от рак през 1923 г. на 77-годишна възраст в Мюнхен. Счита се, че това не е свързано с работата му с рентгенови лъчи, поради краткотрайността на облъчването и предпазните мерки, които е взимал. Когато умира, вече е останал почти без средства. Съгласно неговото завещание цялата му лична и професионална кореспонденция е унищожена. Погребан е в Гисен в семейното гробище на родителите си.
Рентгеновото лъчение е открито на 8 ноември 1895 година. Рьонтген използва уреди, разработени от неговите колеги, за да изследва електрически разряди във вакумирани стъклени тръби. Той провежда опити с катодни лъчи в тръби на Ленард. Тръбата на Ленард е обвита в черна хартия, непропускаща видимата светлина, предизвиквана от катодните лъчи и излъчвана от областта около анода. Рьонтген забелязва, че намиращите се на известно разстояние от тръбата бариеви кристали светят в тъмнината. При изключено напрежение на тръбата кристалите не светели повече. Той поставя недалеч от тръбата екран, покрит с бариеви соли, които светвали всеки път, когато включвал напрежението и угасвали след изключването му. Ученият започва да експериментира с различни материали между тръбата и екрана. Картонът, хартията и ебонитът не влияели на яркостта на светене, докато металните предмети хвърляли сянка върху екрана. Той поставя дланта си на пътя на Х-лъчите и на екрана се появява изображение на костите. Меките тъкани обаче се оказват прозрачни за тях.
Статията му „За новия род лъчи“, в която описва свойствата им, е издадена като отделна брошура на всички европейски езици. Но Рьонтген така и не съумява да обясни природата на загадъчните лъчи. Той дори не подозира за съществуването на електроните, а всъщност точно намаляването на тяхната скорост в стъклото на тръбата е причината за тяхното появяване.
Когато заредена частица навлезе във вещество, тя губи от своята скорост и излъчва електромагнитни вълни. Сноп намаляващи скоростта си електрони излъчва вълни с най-различни дължини и затова поражда непрекъснат рентгенов спектър в рамките на съответната част от електромагнитната скала, както и отделни линии на характеристично лъчение, обусловено от йонизацията на веществото на анода и използвано за изследването му.
Много работи на Рьонтген са посветени на изследването на свойствата на течностите, газовете, кристалите, електромагнитните явления. Той открива връзката между електричните и оптичните явления в кристалите. Има славата на най-добрия експериментатор на своето време и създава школа по експериментална физика.
Малко по-късно у него узрява и идеята за апарата, без който днес медицинските изследвания за много болести биха били немислими.
За своята работа Вилхелм Рьонтген получава първата Нобелова награда за физика през 1901 г. Съблазнителната сума и световното признание не успяват да го отклонят от дълга му. Изследователят нито харчи парите си за излишни неща, нито си позволява луксозен живот. Той продължава научната си дейност - до 1920 г. работи в Мюнхенския университет и написва десетки трудове, посветени на различни области от физиката. Влага всичките си средства в изследвания и когато умира, е почти разорен. Мнозина смятат, че ракът, който го погубва, е резултат на облъчването. Преди да се разболее обаче, той твърди, че подобен развой е невъзможен - заради мерките, които взема, както и заради факта, че не вярва във фаталността на лъчите.