Né en 1945 à Düsseldorf, en Allemagne, Wim Wenders entreprend des études de médecine et de philosophie entre 1964 et 1965 qu'il abandonne pour se rendre à Paris en 1966: il échoue au concours de l'IDHEC (Institut des Hautes Etudes Cinématographies), mais fréquente assidûment la Cinémathèque pour se forger sa culture cinéphilique. Il entre en Allemagne en 1967 et s'inscrit à l'Académie du cinéma et de la télévision de Munich.
De 1968 à 1972, il travaille comme critique de cinéma pour les revues Filmkritik et Süddeutsche Zeitung.
En 1975, il fonde la maison de production Road Movies. En 1984, il entre à la prestigieuse Akademie der Künste de Berlin et en 1989 il est fait docteur honoris causa de la Sorbonne. De 1991 à 1996, il dirige l'Académie du Cinéma Européen - dont il devient président en 1996. Il enseigne le cinéma comme professeur honoraire à l'Académie du cinéma et de la Télévision de Munich depuis 1993.
Il réalise son premier long-métrage, Un été dans la ville, en 1970. Pour des raisons de droits musicaux, ce film n'a jamais été distribué. Il réalise ensuite L'Angoisse du gardien de but au moment du penalty, adapté d'un roman de Peter Handke, avec qui se poursuivra une longue et fructueuse collaboration, ainsi qu'avec l'acteur Rüdiger Vogler. En 1977, il réalise L'ami américain, adapté de l'oeuvre de Patricia Highsmith et avec Dennis Hopper. Puis à la demande de Francis Ford Coppola, il tourne Hammet, en hommage à cet écrivain. En 1980, ce passioné de cinéma co-dirige Nick's movie, une déclaration d'amour au cinéma d'Ozu. Il renouvelle l'expérience 15 ans après avec, Par-delà les nuages, en hommage au mâître Antonioni.
C'est en 1984 que Wim Wenders touche le coeur du public : avec le road-movie poétique Paris Texas, il décroche la Palme d'Or au Festival de Cannes. Il signe également Les ailes du désir, un film-poème sur Berlin, tourne au Portugal L'Etat des choses (1982) et Lisbonne story (1991) et l fable futuriste Jusqu'au bout du monde.
Wim Wenders retourne ensuite aux Etats-Unis et signe des films désenchantés sur l'évolution de la société américaine : The End of violence (1997) avec Gabriel Byrne et Andie MacDowell, et Land of plenty (2004) sur les conséquences des attentats du 11 septembre 2001. En 2005, il dirige Jessica Lange et Sam Shepard dans le drame sentimental Don't come knocking.
Passionné de musique, le cinéaste lui rend souvent hommage. Outre l'importance qu'il accorde à la musique de ses films, il confie le scénario de The Million dollar hotel à Bono, le leader du groupe U2 et réalise 2 documentaires musicaux. En 1999, il signe en effet Buena Vista Social Club, sur la musique cubaine puis 4 ans plus tard, il rend hommage à quelques pionniers du blues dans The Soul of a man.
En 2008, il arpente la Croisette pour présenter The Palermo Shooting en compétition officielle.
Outre son activité de cinéaste, Wim Wenders est peintre et photographe. Plusieurs expositions lui ont été consacrées, à Rome, Paris, Tokyo et Berlin, et de nombreux ouvrages de ses oeuvres photographiques et picturales ont été publiés. Il est aussi coproducteur de la société de production Reverse Angle Productions GmBH avec son partenaire Peter Schwartzkopff.