Nato il 21 maggio 1860 a Semarang, a Giava, dove il padre lavorava come medico, Willem Einthoven visse in quest'isola fino a quando la madre, dopo la morte del marito, tornò in Olanda. Qui Einthoven seguì le orme paterne, laureandosi in medicina nel 1885 all'università di Utrecht, con una tesi sulla stereoscopia attraverso la differenziazione dei colori. Nello stesso anno, all'età di appena 25 anni, divenne professore di fisiologia e istologia nell'università di Leida. E qui rimase, per i 40 anni successivi, a svolgere le sue ricerche sulle applicazioni della fisica nella medicina.
I suoi primi lavori riguardarono la fisiologia dell'occhio e la muscolatura dei bronchi, ma Einthoven sarebbe stato ricordato per altre ragioni. Ben presto, infatti, iniziò a interessarsi di elettrofisiologia, e più in particolare dei fenomeni elettrici collegati all'attività cardiaca. E nel 1903 riuscì a registrare l'elettrocardiogramma umano, escogitando un metodo per descrivere e spiegare l'attività cardiaca. Era così nato l'elettrocardiografo, uno strumento che Einthoven fece subito conoscere ai medici, i quali iniziarono a impiegarlo a scopo terapeutico. Come nel caso di Wilhelm C. Röntgen - lo scopritore dei raggi X e ideatore del primo radiografo - anche in questo caso un interesse prevalentemente teorico, quello di comprendere meglio alcuni fenomeni naturali, aveva condotto a una scoperta di enorme importanza pratica. Certo è che Einthoven non mancò di cogliere la portata della sua invenzione e negli sviluppi delle sue ricerche dette prova di concretezza e lungimiranza.
Il laboratorio di ricerca distava più di un chilometro dall'ospedale di Leida e l'elettrocardiografo pesava circa tre quintali. Così, per studiare cosa accadeva nei malati di cuore, Einthoven inventò anche un sistema di trasmissione dei dati che utilizzava le linee telefoniche. Era il prototipo del telecardiogramma.
Ma l'elettrocardiografia era ancora tutta da inventare. Non si sapeva o poteva ancora distinguere con chiarezza le onde elettriche normali da quelle che indicavano la malattia. E proprio su questo Einthoven concentr├▓ le sue ricerche per tutto il resto della sua vita. Ricerche che gli valsero il premio Nobel per la medicina e la fisiologia nel 1924.
Willem Einthoven morì il 28 settembre 1927 a Leida dove era conosciuto anche per la sua modestia e affabilità.