Родился в шотландской семье в Стаунтоне (штат Виргиния). Он был третьим из четверых детей пресвитерианского священника Джозефа Рагглса Вильсона и Дженет Вудро. Отец Вильсона, добропорядочный гражданин и ученый человек, уделял воспитанию сына много времени.
В 1875 году Вильсон поступил в колледж Нью-Джерси (позже преобразованный в Принстонский университет), где изучал теорию государства. Окончив колледж в 1879 году, он открыл юридическую практику, но вскоре занялся научной работой по истории в Университете Джонса Хопкинса. В 1885 году, Вильсон женился на Эллен Луизе Эксон, которая родила ему трех дочерей.
В 1886 году получил степень доктора философии за публикацию своего труда «Правление конгресса» – анализ американской законодательной практики.
Занялся преподавательской деятельностью и в 1890 году стал профессором права и политической экономии Принстонского университета.
В 1902 году совет попечителей единогласно избрал его президентом университета.
Его задумки в преобразовании обучения не нашли понимания среди преподавательского состава и в 1910 году Вильсон подал в отставку.
Вскоре Вильсон принял предложение выставить кандидатуру на выборах губернатора штата Нью-Джерси от демократической партии. К удивлению профессиональных политиков, он одержал победу с едва ли не самым впечатляющим отрывом в истории штата. При его энергичном содействии законодательное собрание провело важные реформы; были приняты законы о первичных выборах, о коррупции, о задолженности предпринимателей, о предприятиях общественного пользования. Стремительный взлет Вильсона принес ему общенациональную известность. На съезде демократической партии в 1912 году он был выдвинут кандидатом на пост президента; на выборах в ноябре того же года Вильсон нанес поражение республиканскому кандидату и стал президентом США.
Придя к власти в разгар прогрессистского движения, Вильсон принял программу, имевшую целью восстановление свободного предпринимательства и отмену специальных привилегий. Под влиянием президента конгресс утвердил пониженные тарифы, ступенчатый подоходный налог, принял закон о федеральном резерве, усилил контроль за бизнесом силами федеральной комиссии по торговле. Перед выборами в 1916 году Вильсон провел несколько законов о займах фермерам, о наследстве, о железных дорогах, добился выделения средств на строительство дорог. Эти прогрессивные меры знаменовали повышение роли федерального правительства в американской жизни.
В области внешней политики Вильсон занял антиимпериалистические позиции. Он попытался привнести в отношения США с другими странами дух справедливости, уважения и доброй воли. По предложению Вильсона конгресс отменил статью договора, освобождавшую США от уплаты пошлин на Панамском канале, Вильсон обещал также, что США не станут использовать доктрину Монро для интервенции в Латинской Америке. К сожалению, именно во время его руководства американские войска вводились в Никарагуа, Санто-Доминго, Гаити, Мексику. Будучи членом Американского общества мира с 1908 года, Вильсона надеялся сделать США ведущим защитником мира. Он поддержал международный арбитраж, продлил действие договоров, подготовленных Элиу Рутом, выступал за сокращение вооружений.
С самого начала Первой мировой войны Вильсон провозгласил политику нейтралитета и неоднократно пытался свести воюющие стороны за столом переговоров. В 1916 году Вильсон был переизбран президентом, а 22 января 1917 года представил конгрессу план утверждения мира, путем создания Лиги Наций. Девять дней спустя Германия объявила о возобновлении неограниченной подводной войны.
После того как германские подводные лодки торпедировали в марте три американских корабля, Вильсон созвал специальную сессию конгресса, где напомнил о том, что США являются «одним из главных защитников прав человечества». Провозгласив, что «право еще более ценно, чем мир», Вильсон предложил объявить войну, что и было сделано 6 апреля 1917 года. Вильсон видел новый мировой порядок основанным на разуме и взаимном сотрудничестве. 8 января 1918 года он наметил мирную программу из 14 пунктов. Первые пять пунктов включали открытую дипломатию, свободу мореплавания, равенство в международной торговле, сокращение вооружений, согласование колониальной политики. Следующие восемь пунктов касались пересмотра границ на основе самоопределения народов. 14-й пункт предусматривал создание «Всеобщей ассоциации народов, которая давала бы взаимные гарантии политической независимости и территориальной целостности большим и малым государствам».
В ноябре 1918 года Германия запросила перемирия. В 1919 году Вильсон и другие представители союзных стран встретились в Париже для выработки договора. В феврале комиссия единогласно одобрила проект Лиги Наций. Он стал частью Версальского договора, подписанного в июне.