Штерн родился в Берлине. Он был сыном еврейского философа-реформатора Сигизмунда Штерна. В 1893 получил степень доктора философии в Берлинском университете. Преподавал в Университете Бреслау с 1897 по 1916. В 1916 назначен профессором психологии в Гамбургском университете, и оставался в этой должности вплоть до 1933, одновременно будучи директором Психологического института при данном университете. После прихода нацистов к власти эмигрировал сначала в Нидерланды, затем в 1934 — в США, где получил должность профессора в Дьюкском университете и оставался в этой должности вплоть до своей смерти.
Помимо психологических исследований, Штерн был философом, сторонником персонализма.
Штерн также исследовал проблему «характера» групповых образований, которые он рассматривал как живые организмы, подобные людям.
Штерн является также одним из основателей современной детской психологии и психологии развития, кроме этого он работал в области дифференциальной психологии. В своём труде «Монографии к душевному развитию ребёнка» (2 тома, 1928-31 гг.) обрабатываются наблюдения, осуществлённые Штерном совместно с его женой Кларой, за собственными детьми в свете уже существующих теорий о психическом развитии детей. Особое внимание уделяется речевому развитию, полученные данные ложатся в основу проводимых Штерном исследований одарённости и интеллекта.
Штерн выделяет значение отношений между детьми в зависимости от скорости развития и интеллекта. Кроме этого, осуществляет исследования фантазии ребёнка и вытекающую из этого степень правдоподобия детских свидетельских показаний при расследованиях и на суде(Forensische Psychologie). Штерн также являлся одним из основателей философского персонализма.