Wolfgang Ketterle sinh ra ở Heidelberg, Baden-Württemberg, và học tại trường Eppelheim và Heidelberg. Năm 1976 ông vào Đại học Heidelberg, trước khi chuyển sang Đại học kĩ thuật Munich hai năm sau đó, nơi ông nhận bằng cử nhân năm 1982. Năm 1986 ông nhận bằng tiến sĩ về phổ học phân tử thực nghiệm dưới sự hướng dẫn của Herbert Walther và Hartmut Figger tại Viện Max Planck về quang học lượng tử ở Garching, trước khi thực hiện nghiên cứu sau tiến sĩ tại Garching và Đại học Heidelberg. Năm 1990 ông tham gia vào nhóm của David E. Pritchard ở phòng Thí nghiệm nghiên cứu điện tử (RLE) của trường MIT. Ông được bổ nhiệm vào khoa vật lý của MIT năm 1993. Từ 1998 ông được trao chức danh giáo sư vật lý John D. MacArthur. Năm 2006, ông được bổ nhiệm làm phó giám đốc của RLE, và giám đốc Trung tâm MIT về Nguyên tử siêu lạnh.

Sau thành tựu tạo ra ngưng tụ Bose-Einstein trong khí loãng năm 1995, nhóm của ông đã thực hiện thí nghiệm giao thoa giữa hai thể ngưng tụ với nhau, cũng như lần đầu tiên hiện thực hóa được "laser nguyên tử", giống với laser quang học. Nghiên cứu sâu hơn về thể ngưng tụ Bose-Einstein, các kết quả gần đây của ông là tạo ra được thể phân tử ngưng tụ Bose năm 2003, cũng như thí nghiệm chứng tỏ tính siêu chảy "nhiệt độ cao" trong ngưng tụ fermion.