瓦因出生于英国伦敦西部的奇西克，父亲是公司会计，母亲是教师。他中学就读于拉蒂默文法学校，对地理学和物理学都有兴趣。1960年他在剑桥大学圣约翰学院获得自然科学学士学位，随后跟随德拉蒙德·马修斯博士攻读地球物理学方向的博士学位，研究方向是海底磁异常。20世纪50年代末，海洋地磁测量已经发现在洋中脊两侧存在奇怪的条带状磁异常，正负异常交替出现，平行于洋中脊延伸，但没有人能给出合理解释。

1962年，马修斯在印度洋卡尔斯伯格洋中脊进行海洋地磁调查，记录了洋中脊两侧的磁异常条带。回到剑桥后，瓦因分析了这些数据，结合当时刚被提出的海底扩张思想和地磁场周期性倒转的证据，形成了一个天才的假说：当洋中脊处的玄武岩熔岩冷却时，会按照当时地磁场的方向被磁化；随着海底向两侧扩张，新的熔岩不断涌出并被磁化，当地磁场倒转时就形成了反向磁化的条带。因此，洋中脊两侧应该存在对称的正负磁条带序列，记录了地磁场倒转的历史。

1963年9月，瓦因和马修斯在《自然》杂志发表了题为《洋中脊上的磁异常》的短文，明确提出了这一假说。这篇论文最初并未引起广泛关注，但几年内越来越多的证据支持了这一理论：1965年瓦因与加拿大地质调查局的图佐·威尔逊合作分析了胡安·德富卡洋中脊的磁异常，发现与地磁场倒转时间标尺完美匹配；1966年美国拉蒙特地质观测台的科学家发现太平洋-南极洋中脊的磁异常条带完全对称，瓦因-马修斯假说得到了决定性证实。

瓦因-马修斯假说的证实是地球科学史上最激动人心的篇章之一，它将海底扩张从一个天才的猜想变为被观测证实的理论，直接导致了板块构造学说在1967年至1968年间的建立。瓦因1967年起在美国普林斯顿大学地球科学系任教，与哈里·赫斯、图佐·威尔逊等板块构造先驱共事。1970年他回到英国，在东英吉利大学任环境科学教授，1977年至1980年任环境科学学院院长，1998年至2003年任该校全球气候变化研究中心主任，研究方向包括板块构造、海洋地球物理和全球碳循环。瓦因1974年当选英国皇家学会院士，当时年仅35岁，他还获得了伦敦地质学会的比格斯比奖章、阿瑟·L·戴奖、美国地球物理联合会莫里斯·尤因奖章等众多荣誉。