戴维斯出生于美国费城著名贵格会家庭，母亲是废奴主义者露西娅·莫特的女儿。他1869年从哈佛大学获采矿工程学士学位，在阿根廷科尔多瓦国家天文台工作三年后，1876年回哈佛任地质学助教，1890年成为自然地理学教授，在哈佛任教近40年至1912年退休。

19世纪的地貌学主要是描述性的，缺乏统一理论框架。戴维斯受达尔文进化论和均变论思想影响，认识到地貌是长期演化产物，不同形态代表不同演化阶段。1884年至1899年间他系统发展了侵蚀循环理论(地理循环)：地貌是构造、营力和时间三要素共同作用的产物；地壳快速抬升后河流下切形成V型谷(幼年期)，随后山谷拓宽、分水岭变缓(壮年期)，最终地表被侵蚀成低矮准平原(老年期)；地壳再次抬升便开始新的旋回。

侵蚀循环理论是地貌学第一个完整理论体系，将杂乱地貌现象纳入清晰演化框架，使地貌学从描述性科学成为解释性科学。他的著作《气象学基础》《自然地理学》《地貌的解释性描述》等影响深远，还提出了珊瑚礁发育的构造控制理论。

戴维斯是现代地理学在美国的奠基人，培养了以赛亚·鲍曼等大批地理学家。1904年参与创立美国地理学家协会并任首任主席，1911年任美国地质学会主席，1916年任美国科学促进会主席，是美国国家科学院院士，获30多个荣誉学位。退休后他仍周游世界讲学，年过八旬仍撰写论文。1934年2月5日在加州帕萨迪纳逝世，享年近84岁。他提出的"解释性描述"思想——不仅描述地貌形态，还要解释其形成过程和演化阶段——至今仍是地貌学研究的基本方法。