Ayant grandi à Coblence et Oberhausen, Wim Wenders commence des études de médecine et de philosophie, mais les interrompt pour aller passer un an à Paris, où il fréquente assidûment la Cinémathèque. En 1967, il entre à l'Ecole supérieure du cinéma et de la télévision, à Munich. Parallèlement, il écrit des critiques de films pour le journal Süddeuttsche Zeitung et la revue Kritik. Il termine sa formation en tournant en 1970 Un été dans la ville, qui n'a jamais pu être distribué pour des raisons de droits musicaux.

Pour son deuxième long métrage, il adapte un roman de Peter Handke, L'Angoisse du gardien de but au moment du penalty, qui marque le début d'une fructueuse collaboration avec l'écrivain, ainsi qu'avec l'acteur Rüdiger Vogler. Wenders signe ensuite une "trilogie du voyage", composée des road movies contemplatifs Alice dans les villes, Faux mouvement et Au fil du temps, un film en noir et blanc de trois heures qui lui vaut sa première sélection au Festival de Cannes.

En 1977, Wim Wenders élargit son horizon cinématographique en tournant entre l'Europe et les Etats-Unis L'Ami américain, un thriller tiré de l'oeuvre de Patricia Highsmith avec Dennis Hopper dans le rôle de Tom Ripley. Acceptant une commande de Francis Ford Coppola, il réalise Hammett, un hommage au célèbre auteur de polars. Mais cet amateur de littérature est également un cinéphile averti. Il le prouve en co-dirigeant Nick's movie (1980) avec Nicholas Ray, Tokyo-ga, une déclaration d'amour au cinéma d'Ozu, et, plus tard, Par-delà les nuages (1995), sur lequel il sera l'assistant de luxe du maître Antonioni.

La consécration arrive en 1984 avec Paris, Texas, une émouvante traversée de l'Amérique qui décroche la Palme d'Or au Festival de Cannes, suivi des Ailes du désir, un film-poème sur Berlin qui donnera lieu à une suite tournée après la chute du Mur. Le cinéaste-voyageur, qui sillonna le Portugal pour L'Etat des choses (Lion d'or à Venise en 1982) et Lisbonne story, livre en 1991 Jusqu'au bout du monde, une ambitieuse fable futuriste qui déconcerte les spectateurs.

Au milieu des années 90, Wim Wenders retourne aux Etats-Unis pour mettre en scène des films désenchantés sur l'évolution de la société américaine : le polémique The End of violence (1997) avec Gabriel Byrne et Andie MacDowell, Land of plenty (2004), une méditation, tournée en DV, sur les conséquences des attentats du 11 septembre 2001, et Don't come knocking (2005), un drame sentimental interprété par Jessica Lange et Sam Shepard.

Passionné de musique, Wim Wenders connaît un triomphe inattendu en 1999 avec son documentaire sur la musique cubaine, Buena Vista Social Club, et signe quatre ans plus tard The Soul of a man, où il rend hommage à quelques pionniers du blues. La même année il tourne Land of plenty qui, comme son film suivant, Don't Come Knocking, tentent de cerner "l'esprit de l'Amérique".

Il participe, en 2007, au projet Chacun son cinéma réalisé en l'honneur des 60 ans du Festival de Cannes (mais son film n'est visible que sur le DVD) et revient au Festival l'année suivante pour présenter Rendez-vous à Palerme. Connaissant de plus en plus de difficultés à monter ses films (Rendez-vous à Palerme (Palermo Shooting) n'est jamais sorti en salles) il se lance pourtant sur un projet ambitieux : un documentaire sur la chorégraphe Pina Bausch où il tente une utilisation novatrice de la 3D.

Jonglant entre fiction et documentaire, Wim Wenders participe en 2011, à Mundo Invisível, qui compile les courts-métrages de plusieurs réalisateurs sur le thème de l'invisibilité, et retrace, trois ans plus tard, la vie du photographe Sebastiao Salgado dans Le Sel de la terre. Le film reçoit le César du Meilleur documentaire 2015. Revenant à la fiction, il dirige Charlotte Gainsbourg, Rachel McAdams et James Franco dans le dramatique Every Thing Will Be Fine.