Ông sinh tại Washington, DC. Cha ông là người gốc Scotland, tốt nghiệp trường West Point làm sĩ quan tiếp liệu trong Quân đội Hoa Kỳ; còn mẹ ông gốc người Đức, làm trợ giáo (instructor) Toán học ở Đại học Kansas.

Năm 1931 Ramsey vào học ở Đại học Columbia, ban đầu học Khoa học kỹ thuật, nhưng đã sớm đổi sang học Toán học và đậu bằng cử nhân năm 1935. Đại học Columbia cấp cho ông một học bổng nghiên cứu sinh sang học ở Đại học Cambridge, Anh. Tại đây ông ghi danh như sinh viên chưa tốt nghiệp học Vật lý học và đậu bằng cử nhân thứ hai ở trường này. Sau đó ông trở lại đại học Colombia học và nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của Isidor Isaac Rabi. Ông đậu bằng tiến sĩ vật lý ở đây năm 1940.

Khi Chiến tranh thế giới thứ hai nổ ra ở châu Âu, ông chuyển tới làm việc ở Phòng thí nghiệm bức xạ của Học viện Công nghệ Massachusetts. Trong 2 năm ở đây ông làm trưởng nhóm nghiên cứu phát triển radar tới bước sóng 3 cm. Sau đó ông làm cố vấn radar cho Bộ Chiến tranh ở Washington D.C. Năm 1943, ông chuyển sang làm việc trong Dự án Manhattan ở Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos tại New Mexico.

Sau chiến tranh ông trở lại làm giáo sư và nhà khoa học nghiên cứu ở Đại học Columbia. Năm 1947 ông chuyển sang làm giáo sư vật lý ở Đại học Harvard trong 40 năm, ngoại trừ thời gian làm giáo sư thỉnh giảng ở. Middlebury College, Đại học Oxford, Mt. Holyoke College và Đại học Virginia.

Ông cũng là ủy viên trong Ủy ban Năng lượng Nguyên tử Hoa Kỳ (United States Atomic Energy Commission) và làm cố vấn khoa học cho tổng thư ký NATO trong 18 tháng. Ngoài ra, ông cũng giúp việc thành lập Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và Fermilab.