王学兵出生于新疆维吾尔自治区，在家中三个孩子里排行最小，他有一位姐姐和一位哥哥。由于哥哥和姐姐的年龄都比他大不少，父母在养育王学兵时采取了相对宽松的方式，并未对他的成长路径或未来方向设定太多框架，而是鼓励他依照自己的兴趣自由探索与发展。在中学阶段，他听从了一位老师的建议，开始准备报考艺术类院校。通过一段时期专注而刻苦的朗诵训练，他逐渐领悟到表演与文艺表达的内在规律，掌握了其中关键的入门方法。最终，他凭借自身的努力与悟性，成功考入了中央戏剧学院，迈出了走向专业艺术道路的重要一步。
一九九七年，青年演员王学兵参与了由导演张扬执导的电影作品《爱情麻辣烫》的拍摄，并在其中一个独立单元中担任男主角，这成为他演艺生涯早期在大银幕上的一次重要尝试。次年，也就是一九九八年，王学兵与当时备受瞩目的演员徐静蕾、李亚鹏共同出演了青春偶像剧《将爱情进行到底》，尽管这是他首次接触电视剧领域，且饰演的只是一个戏份有限的配角，但该剧的热播却让更多观众开始认识并记住他，由此王学兵正式步入了大众的视野。进入二〇〇〇年，他加入了由张建栋导演执导的电视剧《欲望阻击》的摄制工作，在剧中扮演年轻而充满冲劲的刑警丁晓雷，这部作品里层层推进的悬疑情节与缜密的破案过程，为他提供了表演上的全新突破，也成为了其事业上升的一个重要契机。通过这次深入塑造警察角色的经历，王学兵曾坦言感到十分“过瘾”。同样是在这一年，他还参与了电视剧《让爱作主》的拍摄，在剧中饰演机关干部肖天海一角。王学兵后来表示，能够在此剧中与王志文、江珊等经验丰富、演技精湛的优秀演员同台合作，对他而言是一次极为珍贵且受益匪浅的学习机会，让他在表演上获得了许多启发与成长。
二零零一年，演员王学兵因主演聚焦家庭暴力议题的电视剧《不要和陌生人说话》而广受关注，他在剧中塑造的“安嘉睦”一角深入人心，并由此荣获“中国电视艺术双十佳演员”奖项；同年三月，他参与拍摄的电视剧《彩票梦》于上海顺利完成，在这部作品中，他一反过往时尚偶像的荧幕形象，转而诠释了一位从小城镇奔赴上海追逐财富梦想的发廊老板。二零零二年六月二十八日，由王学兵与郭柯宇共同主演的电视剧《生死之恋》在中央电视台电视剧频道首播，他在剧中成功演绎了共产主义革命家高君宇的光辉形象。二零零三年一月八日，张建栋执导的缉毒题材电视剧《绝对控制》在南京率先播出，这是王学兵继《让爱作主》和《不要和陌生人说话》之后第三次与张建栋导演合作，他在剧中扮演了正直且充满热忱的刑警“薛冰”，这也是王学兵演艺生涯中第五次饰演警察角色，因而被观众和媒体亲切地称为“警察专业户”。到了第二年，王学兵再度与张建栋导演携手，其合作的都市情感剧《青鸟的天空》与观众见面，他在剧中饰演了彭卫宇这一角色。二零零五年一月，由张建栋导演，王学兵与袁泉联袂主演的都市情感剧《完美》作为央视一套的开年贺岁剧隆重上映，王学兵在剧中担纲男主角，出演律师佟言，这标志着他与张建栋导演的第五次成功合作。同月，另一部由王学兵与李宗翰、李进荣共同主演的电视剧《凌云壮志包青天》也相继播出，他在剧中挑战了经典历史人物包拯。三月，王学兵参演的电视剧《福星高照猪八戒》播出，他饰演了单纯又痴情的牛魔王，对此王学兵曾表示牛魔王是他个人最为偏爱的角色之一。五月，他参演的电视剧《月上江南》播出，在剧中他诠释了亦正亦邪的司徒剑。六月，由刘家成执导的清宫剧《大阿哥溥俊》拍摄完成，王学兵在剧中首次尝试饰演历史人物溥俊。十月十一日，他与罗嘉良、林家栋、刘威联袂主演的古装悬疑剧《天涯追辑令》播出，他在剧中扮演了“京城总捕头”一角。二零零六年三月，在央视播出的武侠大戏《七剑下天山》中，王学兵饰演了青干剑杨云骢，剧中他与赵文卓有多场精彩的武打对手戏，通过这次拍摄，王学兵坦言自己爱上了武侠剧，并透露最想演绎的角色是“杨过”。四月，在电视剧《可可·西里》中，他再次穿起警服，扮演了一名警察。二零零七年四月，王学兵参演了张子恩导演的电视剧《大长垣》，这是他首次在荧幕上饰演厨师角色，该角色时间跨度长达四十年，从二十岁一直演绎到六十岁，为了更真实地塑造人物，在开拍前王学兵特意前往多家饭店进行实习体验。七月，他与归亚蕾、孙宁共同主演的电视剧《忘不了》播出，他在剧中饰演的白志强是一个性格冷漠寡言、甚至带有些许匪气的复杂男性。十一月，他参演的电视剧《倾城之恋》开机拍摄，剧中王学兵大胆突破以往戏路，饰演了浪荡公子哥唐一元。十二月九日，他首次与童蕾合作主演的电视剧《秘密》播出，他在剧中饰演了一位生命仅剩六个月的癌症病人顾海洋。与此同时，王学兵与张歆艺、李光洁主演的医疗题材电视剧《柳叶刀》也投入拍摄，他在剧中出演了为人正直、医术精湛的医生“顾明道”，这已经是他与张建栋导演的第六度合作。十二月下旬，王学兵凭借其在反特悬疑剧《羊城暗哨》中的出色表现，荣获南方盛典“二零零七年度最具人气男演员”大奖。二零零八年，在根据作家方方同名畅销小说改编的电视剧《桃花灿烂》中，王学兵首次尝试出演一位被众人倾慕的“情圣”式角色。二零零九年一月，他与左小青、刘威等主演的少数民族题材献礼剧《金凤花开》播出，他在剧中饰演了男主角张东海。四月，由他主演的电影《高考1977》上映，王学兵在片中饰演男主角潘志友。二零一零年一月，他参演了刘心刚导演的现代谍战剧《谍变》，再次出演警官角色，此次他饰演的男一号是国安警官石清泽，王学兵在采访中表示，由于剧中角色工作性质的特殊性，演绎国安警察相比公安民警更具挑战性。二月，他主演的电视剧《滇西1944》播出，他在剧中出演男一号国民党军官马成龙。四月十五日，由他主演的剧情战争电视剧《迷雾重重》播出，他在剧中饰演了男主角“陈元地”。
二零一一年四月，演员王学兵先后参与了两部重要作品的拍摄。在丁黑执导的古装历史题材电视剧《大秦帝国》中，他塑造了威名赫赫的一代战神白起这一角色；与此同时，在麦兆辉与庄文强两位导演联合执导的英雄史诗电影《关云长》里，他则出演了“六将”之中荥阳太守王植这一人物。同年六月，他参演的电影《建党伟业》正式公映，在片中他诠释了历史人物包惠僧。这一年也标志着王学兵在艺术创作上的多元拓展，他首次尝试导演工作，执导了微电影《坚定的锡兵》。这部作品随后获得了多项荣誉，包括二零一二年第二十四届哈尔滨冰雪电影节触电单元“导演风格大奖”、中国首届金微奖·国际微电影节“最佳创意奖”，以及二零一二年中国国际新媒体短片节最佳网络人气短片奖。到了十二月，他与导演张建栋展开了第七次合作，参演了张建栋执导的聚焦医患关系的电视剧《无影灯下》，在剧中他再次穿上白大褂，饰演医生萧克明。 进入二零一二年二月，他与牛青峰、倪大红等演员共同主演的电视剧《大侦破》播出，王学兵在剧中担纲男主角萧恩。五月，其参演的谍战剧《暗红1936》与观众见面，他在剧中首次挑战一人分饰两角，演绎了武仲明与武伯英这对兄弟。八月七日，他与梁朝伟、周迅等合作出演的悬疑电影《听风者》上映，他在片中扮演了代号为“老鬼”的郭兴中。二零一三年三月二十一日，他与朱丹共同主演的悬疑爱情微电影《石头剪刀布》在优酷网正式上线播出。六月，他出演了由高群书监制的电视剧《我们的生活比蜜甜》，在剧中饰演了多才多艺的角色周二庆。 二零一四年二月十三日，参演由陈思诚执导的电影《北京爱情故事》上映，王学兵在片中饰演了一位事业成功但情感复杂的角色，被观众视为“极品渣男”。三月二十一日，他与廖凡、桂纶镁主演的电影《白日焰火》公映，该片荣获了第六十四届柏林国际电影节最佳影片“金熊奖”这一崇高荣誉。除了在影视剧领域的持续耕耘，王学兵再次跨界音乐领域，其全新单曲《蜜雪儿de冒险》的MV正式首发。在这支MV中，他不仅负责演唱，更身兼多职，亲自出演并担任了导演与剪辑师的工作。十月二十七日，由林兆华执导、王学兵领衔主演的话剧《人民公敌》在北京保利剧院成功首演，随后自十一月起在全国近三十座城市展开了巡回演出。此次登台也是王学兵自一九九七年出演话剧《保尔·柯察金》之后，时隔十七年重新回归话剧舞台。 二零一五年十一月二十日，他参演了由陈建斌导演并编剧的电影《一个勺子》，凭借在片中饰演的李大头一角，他获得了第五十一届台湾金马影展金马奖最佳男配角提名。二零一七年，他凭借在话剧《酗酒者莫非》中的精湛演出，荣获第七届国际戏剧节“学院奖”最佳男主角奖。二零一八年九月，他与马伊琍搭档主演的犯罪题材电影《未择之路》上映，他在片中饰演了男主角二勇。二零一九年，在雎安奇执导的电影《海面上漂过的奖杯》中，他饰演了一位痴迷于钓鱼的角色，并凭借此表演获得了第三届平遥国际电影展最佳男演员奖。 二零二零年，由王学兵亲自编剧并执导的电影作品《困兽》，在第二十三届上海国际电影节电影项目创投单元获得了评委会特别推荐项目。同年，他参演了由高寒编剧并执导的动作片《罪业搭档》，在片中他再次饰演警察角色，并以此获得了第十四届FIRST青年电影展最佳演员奖。同年十一月二十六日，他参演的、由陈建斌执导的第二部电影《第十一回》在第三十三届中国电影金鸡奖金鸡影展上举行了全球首映，他在片中饰演了一名律师。根据计划，二零二五年三月八日，他出演的电影《平原上的火焰》将正式上映。
演员王学兵的第一段婚姻始于2001年，他与妻子冯钰棋在当时正式结为夫妻。然而，由于双方工作日程日益繁忙，彼此间的相处与沟通逐渐减少，导致感情出现了难以弥合的裂痕，两人最终在2004年通过友好协商的方式，平静地结束了这段婚姻关系。同年，王学兵因参与拍摄电视剧《壮志凌云包青天》而与范冰冰合作，期间两人互动密切，一度被外界猜测是否假戏真做，更有媒体拍下他们在三亚酒店戏水亲近的画面并公之于众，这段绯闻在当时引起了诸多关注，可惜双方并未公开承认恋情，不久后便不了了之。到了2007年，王学兵在参演电视剧《忘不了》时结识了同为演员的孙宁，两人因戏生情，感情稳步发展，并于2009年携手步入婚姻殿堂，这段婚姻持续了近三年，直至2012年4月，双方共同发表声明，宣布因个人原因决定离婚。此后，王学兵与现任妻子张芊芊相识相爱，两人感情稳定，并于2014年1月在美国迎来了他们的儿子，取名为Dida，家庭生活美满而低调。
王学兵在步入中年之后逐渐培养起对跑步运动的浓厚兴趣，并将其发展为一项长期的健身爱好。在2018年1月，他首次挑战全程马拉松，选择了厦门马拉松赛作为起点，最终以5小时22分31秒的成绩顺利完成了自己的第一个全马。随后的同年6月，他又前往兰州参加马拉松赛事，以5小时59分59秒的成绩完成了个人第二个全程马拉松，再次积累了宝贵的比赛经验。到了同年10月，王学兵继续坚持参赛，在西安完成了自己的第三场马拉松比赛，从而在一年之内实现了从首马到第三次全马的稳步跨越，展现出持续投入和不断进步的跑步历程。
出席反对家庭暴力活动中国扶贫基金月捐活动参加奥运火炬传递
二零一五年三月十日，北京警方发布通报，宣布演员王学兵因涉嫌容留他人吸食毒品罪，已被依法采取拘留审查措施。在接受审查期间，王学兵主动向警方如实陈述了自己过往曾吸食毒品、并容留他人一同吸食的违法犯罪行为，其认罪态度较为诚恳，也表现出一定的悔过之意。同年三月二十五日，基于相关法律规定及案件情况，北京警方决定对王学兵变更强制措施，依法为其办理了取保候审手续。据《京华时报》后续报道透露：王学兵在被捕后进行的尿液检测结果显示为阴性，这一科学证据表明他在近期内并未吸食毒品。因此，尽管警方最初以涉嫌容留他人吸毒为由对其刑事拘留，但由于后续调查中证据尚不充分，王学兵在被羁押十五天后得以返回家中。二零一六年四月十四日，王学兵所属经纪公司通过公开声明详细说明了此次“涉毒事件”的整体经过，同时对部分媒体在报道过程中歪曲事实的做法提出了严正控诉。该声明强调，王学兵当时仅是配合警方调查，并未被认定存在任何犯罪事实，因而未承担任何刑事责任，也未受到任何形式的行政处罚。然而，由于此前大量不实报道的广泛传播，王学兵个人长期受到不实指称的困扰，在公众心中被错误地贴上了“涉毒人员”的标签，这对其名誉与社会形象造成了持续且深刻的负面影响。
豪放、直爽、通达、浪漫，兼具大智大勇、快意恩仇的性情，又饱含情深义重的温度，这种亦文亦侠亦温文的独特气质，既是王学兵在戏剧角色中展现的鲜明江湖气韵，也是他在个人生活中始终向往与锤炼的男子品格。历经十年磨一剑的沉淀与积累，王学兵已然实现了从昔日青春偶像般的青涩大男孩，向今日沉稳从容的成熟男性的深刻蜕变。作为一名演员，他始终保持着低调谦和的姿态，从不刻意张扬，亦不纠结于一城一池的短暂得失；转而观之，他又是一位流露着健康阳光气息的优雅绅士，丰富而多维的人生阅历，为其人格增添了更为深远、醇厚的内在韵味。他仿佛一把热情燃烧的烈火，凭借一部又一部优质作品的扎实积累，让属于自己的艺术之路愈发明亮而坦荡。他，正是演员王学兵。