Storico dell'arte di origini svizzere. La sua formazione ebbe inizio a Basilea con Jacob Burckhardt, per poi proseguire a Berlino presso Wilhelm Dilthey. A Monaco svolse il suo dottorato con la dissertazione Prolegomena zu einer Psychologie der Architektur del 1886 (Psicologia dell'Architettura). Tra il 1886 e il 1887 a Roma elaborò la tesi per la libera docenza Rinascimento e Barocco (1888): qui Wölfflin cerca di ricostruire la trasformazione del linguaggio rinascimentale in quello barocco, sottolineando il residuo classicista che dall'epoca rinascimentale passa a quella barocca.
Nel 1893 succedette a Burckhardt nella cattedra di Storia dell'arte di Basilea. Del 1899 è invece L'arte classica. Dal 1901 al 1912 insegnò a Berlino come successore di Herman Grimm. Del 1905 è Die Kunst Albrecht Dürers, in cui, partendo dall'opera del Dürer, esamina i rapporti tra Nord e Sud Europa e le costanti stilistiche nazionali. Dal 1912 al 1923 insegna a Monaco.
Nel 1914 esce Wie man Skulpturen aufnehmen soll (Probleme der italienischen Renaissance), pubblicato sulla «Zeitschrift fuer bildende Kunst», XXVI, seguito nel1921 da Das erklären von Kunstwerken.
Nel 1925 pubblica Principi fondamentali della storia dell'arte. Dal 1924 in poi insegna a Zurigo e nel 1931 esce Italien und das deutsche Formgefühl. Die Kunst der Renaissance.
Del 1943 è infine Gedanken zur Kunstgeschichte.