Urodził się 14 marca 1882 r. w Warszawie, w rodzinie Konstantego i Ludwiki z Łapińskich. W 1900 r. ukończył V Gimnazjum Klasyczne w Warszawie i rozpoczął studia na Wydziale Fizyczno-Matematycznym Cesarskiego Uniwersytetu Warszawskiego. Jego nauczycielem był prof. G.F. Woronoj, od którego pochodził temat pracy z teorii liczb. Studia skończył w roku 1904 r. uzyskując stopień kandydata nauk i złoty medal za pracę z teorii liczb.

W 1907 r. wyjechał na kilkumiesięczne studia do Getyngi. Poznał tam C. Caratheodorym’a, tam też napisał pracę "O sumowaniu szeregów”, za którą w roku 1905r., a więc w rok po ukończeniu studiów otrzymał stopień doktora.

Po powrocie do Warszawy w 1908 r. został członkiem Warszawskiego Towarzystwa Naukowego, a w lipcu uzyskał habilitacje na Uniwersytecie Lwowskim gdzie podjął pracę.

We wrześniu 1910 r. otrzymał nominacje na profesora nadzwyczajnego. W latach 1910-1914 wydał pierwsze swoje książki: "Teoria liczb niewymiernych", "Zarys teorii mnogości" oraz "Teoria liczb". Prace te zostały nagrodzone przez Akademię Umiejętności w Krakowie, która wybrała go w 1917 r. swoim członkiem korespondentem.

Podczas I wojny światowej znalazł się na terytorium Rosji. Został internowany w Wiatce, jako obywatel austriacki. Dzięki staraniom matematyków moskiewskich uzyskuje prawo przeniesienia się do Moskwy, gdzie nawiązuje przyjaźń i owocną współpracę naukową z N.N. Łuzinem. W 1918 r. wraca do Lwowa, a następnie obejmuje wykłady na Uniwersytecie Warszawskim, gdzie w 1919. zostaje profesorem zwyczajnym. W roku 1920 Sierpiński wspólnie z Janiszewskim i Mazurkiewiczem założyli Fundamenta Mathematicae (pierwsze w świecie specjalistyczne czasopismo matematyczne poświęcone teorii mnogości, jej zastosowaniom oraz logice matematycznej).

W 1921 Polska Akademia Umiejętności powołała go na członka czynnego i obdarzyła nagrodą za "Fundamenta Mathematicae". W czasie wojny 1920 pracował w Wydziale Szyfrów Sztabu Głównego i przyczynił się do złamania sowieckiego szyfru wojskowego.

W latach międzywojennych prowadził czynne życie naukowe, wydał 8 nowych książek, dwie broszury oraz 7 podręczników szkolnych pisanych wspólnie z Banachem i Stożkiem.

Wacław Sierpiński był członkiem wielu towarzystw naukowych w kraju i za granicą. Od 1931 roku pełnił funkcję prezesa Towarzystwa Naukowego Warszawskiego (aż do jego wcielenia do PAN w 1952 roku). Był organizatorem i prezesem I Kongresu Matematyków Słowiańskich w Warszawie w 1929. Brał także udział jako delegat PAU w Międzynarodowych Kongresach Matematycznych w Toronto (1924r.), Bolonii (1928r.), Zurychu (1932) i Oslo (1936). Wybuch II wojny światowej zastał go w Warszawie. W okresie okupacji pracował formalnie jako urzędnik magistratu polskiego w Warszawie. Równocześnie nadal prowadził działalność dydaktyczną, wykładając w podziemnym uniwersytecie. Nie przerwał także pracy naukowej. Niektóre spośród licznych jego prac były publikowane w "Sprawozdaniach Akademii Papieskiej w Rzymie"; napisał też Zasady algebry wyższej (1946). W październiku 1944 mieszkanie Sierpińskich zostało spalone, wraz z nim cenna biblioteka. Po przejściu przez obóz w Pruszkowie w lutym 1945 dotarł do Krakowa.

Przez semestr letni 1945 wykładał na Uniwersytecie Jagiellońskim, jesienią wrócił na swą katedrę do Warszawy i wznowił wydawanie "Fundamenta Mathematicae". W 1948r. rozpoczął pracę w Państwowym Instytucie Matematycznym, a po przekształceniu w Instytut Matematyczny PAN objął w 1953r. przewodnictwo Rady Naukowej Instytutu i piastował je do 1967. W 1956 objął redakcję wznowionego po przerwie wojennej pisma Acta Arithmetica i godność redaktora naczelnego piastował do 1969.Przeszedł na emeryturę z instytutu i uniwersytetu w 1960.

Przez wszystkie te lata był bardzo aktywny naukowo. Liczba uniwersytetów, na których wykładał, wzrosła do 47; został uhonorowany wieloma odznaczeniami krajowymi i zagranicznymi; otrzymał liczne członkostwa honorowe towarzystw krajowych i członkostwa zagranicznych instytucji naukowych. Był członkiem rzeczywistym PAN (od 1952) i jej wiceprezesem (do 1957), członkiem Międzynarodowej Akademii Filozofii Nauki w Brukseli i jej wiceprezesem (1962-1965), a także członkiem zagranicznym Accademia dei Lincei w Rzymie, Akademii Nauk w Limie i Paryżu oraz Akademii: Bułgarskiej, Czechosłowackiej, Holenderskiej, Jugosłowiańskiej, Niemieckiej, Papieskiej, Rumuńskiej i Serbskiej. Był doktorem honoris causa uniwersytetów: we Lwowie (1929), Amsterdamie (1932), Tartu (1932), Sofii (1939), Bordeaux (1947), Pradze (1948), Wrocławiu (1948), Lucknow (1949), Moskwie (1967).

Zmarł 21 października 1969 w Warszawie. Po jego śmierci jedna z dorocznych nagród przyznawanych przez Polskie Towarzystwo Matematyczne została nazwana imieniem Wacława Sierpińskiego. Został pochowany w Alei Zasłużonych na Powązkach.