海森堡於1901年12月5日出生於德國的維爾茨堡。他是德國著名的理論物理學家、哲學家，量子力學的創始人之一。海森堡的父親老海森堡博士是名噪一時的語言學家和東羅馬史學家，曾經在慕尼黑大學擔任中世紀和現代希臘語教授。受他的影響，年幼的海森堡學到了一定的語言知識，他的父親對此引以為豪。
1920年以前，海森堡在著名的慕尼黑麥克西米學校讀書。麥克西米學校培養了不少未來的科學家，如量子思想的創始人普朗克40年前就在此求學。中學時，海森堡迷上了數學，並且很快掌握了微分學和積分學。那時的他，一直憧憬著在未來成為一名數學家。可是，後來的大學生涯卻改變了這個年輕人的命運。
中學畢業後，海森堡於1920年考入慕尼黑大學，在索末菲、維恩等指導下攻讀物理學。後來，他又前往哥廷根大學，在玻恩和希爾伯特的指導下學習物理。1923年，海森堡寫出了題為《關於流體流動的穩定和湍流》這篇流體力學的博士論文，詳細研究了非線性理論的近似性，年終取得了慕尼黑大學的哲學博士學位。
1924-1927年，他得到洛克菲勒基金會的讚助，來到哥本哈根的理論物理研究所與玻爾一起工作。從此，海森堡置身於長期激烈的學術爭鳴的氛圍中，開始卓有成效的學術研究工作。
20世紀初，以愛因斯坦的相對論和玻爾的原子模型為基礎而形成的理論物理學吸引著年輕的研究者們。丹麥的理論物理研究所成了年輕的物理學家向往的地方；在慕尼黑，玻爾的早期學說被人們廣泛接受，玻爾研究所工作的基礎正是玻爾——索末菲原子模型。當時，雲集在玻爾研究所的來自世界各國的理論物理學家，正試圖用這種模型來探索光譜線及其在電場和磁場的分裂，以便創立沒有邏輯矛盾的原子過程理論，同時，玻爾本人認為，隻有堅決背離傳統的觀點，問題才能獲得進展。但究竟從何入手的問題卻一直困擾著他。這是一個棘手的問題，因為它事關從傳統的經典力學向一種更合乎自然的科學過渡。新事物的產生總要衝破重重阻礙，該怎麼辦呢？整個研究所陷入了沉思和不斷的實驗之中。1925年，當所有的努力都顯得徒勞無益時，人們似乎覺得物理學已經走進了一條死胡同。
但是，海森堡的思想讓玻爾困惑已久的問題迎刃而解。海森堡在大學時就對各種原子模型持懷疑態度。他感到玻爾的理論不可能在實驗中得到理想地證實。因為玻爾的理論建立在一些不可直接觀察或不可測量的量上，如電子運動的速度和軌跡等。海森堡認為，在實驗中，我們不能期望找到像電子在原子中的位置，電子的速度和軌跡等一些根本無法觀察到的原子特征，而應該隻探索那些可以通過實驗來確定的數值，如固定狀態的原子的能量、原子輻射的頻率和強度等。因此，在計算某個數值時，隻需要利用原則上可以觀察到的數值之間的相互比值，即隻有依靠數學抽象才能解決問題。因此，海森堡首先從玻爾的對應原理出發，從中找到充分的數學根據，使這一原理由經驗原則變為研究原子內部過程的一種科學方法。
海森堡並沒有就此止步不前。1925年6月，他又解決了物理學上的另一個重要問題——如何解釋一個非簡諧原子的穩定能態，從而奠定了量子力學發展的綱領。幾個月後，他在物理學雜誌上發表了題為《關於運動學和力學關係的量子論新釋》的論文，將一類新的數學量引入了物理學領域，從而創立了量子理論。海森堡的理論基礎是可以觀察的事物或可以測量到的量。他認為，我們不是總能準確地確定某一時間電子在空間上的位置，也不可能在它的軌道上跟蹤它，因而玻爾假定的行星軌道是不是真的存在還不能確定。因此，像位置、速度等力學量，需要用線性代數中的“矩陣”這種抽象的數學體係來表示，而不應該用一般的數來表示。作為一種數學體係，矩陣是指複數在矩形中排列成的行列，每個數字在矩形中的位置由兩個指標來表示，一個相當於數學位置上的行，另一個相當於數學位置上的列。“矩陣”被提出後，玻恩很快注意到了這個問題的重要性，他與約爾丹共同合作對矩陣力學原理進行了進一步的研究。1925年9月，他倆一起發表了《論量子力學》一文，將海森堡的思想發展成為量子力學的一種係統理論。11月，海森堡在與玻恩和約爾丹合作下，發表了《關於運動學和力學關係的量子論的重新解釋》的論文，創立了量子力學的一種形式體係——矩陣力學。從此，人們找到了原子微觀結構的自然規律。愛因斯坦評價道：“海森堡下了一個巨大的量子蛋。”