וילהלם וין יליד פרוסיה (כיום רוסיה). ב-1882החל ללמוד באוניברסיטת גטינגן ובאוניברסיטת ברלין. בשנים1883–1885עבד תחת הרמן פון הלמהולץ עד להשלמת תואר שלישי בשנת1886. תזת הדוקטורט שלו עסקה בשבירה של אור במתכות ובהשפעת חומרים שונים על צבע האור הנשבר. בשנים 1896–1899הרצה באוניברסיטה הטכנולוגית שבאאכן, גרמניה ובשנת 1900עבר לאוניברסיטת וירצבורג, שם החליף את וילהלם רנטגן בתפקידו. במהלך מלחמת העולם הראשונה כיוון וין את משאבי המחלקה לפיזיקה של האוניברסיטה לפיתוח אמצעי תקשורת עבור הצבא הגרמני ובמיוחד לעבודה על שפופרות ריק.

בשנת 1920 החליף וין בשנית את וילהלם רנטגן, הפעם בראשות המכון לפיזיקה ניסויית באוניברסיטת מינכן. הוא לימד קורס בסיסי בפיזיקה ניסויית מלווה בניסויים רבים לתלמידי האוניברסיטה בפיזיקה, כימיה, ביולוגיה, מתמטיקה ורפואה. בגלל מגוון התלמידים הקורסים היו כלליים והפיזיקאי המוכר, ורנר הייזנברג תיאר אותם כסוג של הצגה.

בשנת 1896 הסיק את חוק ההתפלגות של הקרינה הנקרא על שמו, חוק וין, שהיה ביסודו חוק אמפירי. מקס פלאנק, עמיתו של וין בזמן הגילוי, הרחיב את החוק ואת התאוריה שמאחוריו; מאוחר יותר התבסס על חוק זה כשפיתח את מכניקת הקוונטים.

בשנת 1898, בעת שחקר זרמי פלזמה (גז מיונן), זיהה חלקיק חיובי שמסתו זהה למסת אטום המימן. בעבודתו זו הניח את הבסיס להמצאת ספקטרומטר המסה. ג'יי. ג'יי. תומסון ליטש את עבודתו של וין וערך ניסויים נוספים, ובתוספת עבודתו של ארנסט רתרפורד התגלה הפרוטון רשמית ב-1913. בנוסף לגילויים אלו חקר וין גם קרני רנטגןו קרניים קתודיות.

בשנת 1911 הוכרז חתן פרס נובל פיזיקה על גילויו את החוקים השולטים בקרינת חום והניח את התשתית המדעית להתפתחות תורת הספקטרוסקופיה. 

חוק וין, הקרוי על שמו, בשמו המלא:חוק ההסחה של וין, הוא חוק בסיסי בספקטרוסקופיה, העוסק בקרינת גוף שחור. במקור, חוק וין היה חוק אמפירי שנגזר על ידי הפיזיקאי הגרמני וילהלם וין בסוף המאה ה-19 מתוך תצפיות בלבד. בשנת 1900,מקס פלאנק הציע תאוריה המסבירה את התופעה של קרינת גוף שחור, ובפרט גם את חוק וין. תאוריה זו, שבמובן מסוים הייתה הבסיס לתורת הקוונטים, נחשבת היום לתורה המקובלת לתיאור התופעה.

חוק וין חשוב לא רק בספקטרוסקופיה, אלא גם באסטרופיזיקה. החוק מסביר מדוע כוכבים חמים זוהרים בכחול (אורך גל קצר יותר), וכוכבים קרים זוהרים באדום (אורך גל ארוך יותר).

באמצעות חוק וין אפשר להגדיר טמפרטורת צבע.