Su padre fue el Barón Magnus Maximilian von Braun, un noble alemán, y su madre la Baronesa Emmy von Quirstorp. Desde pequeño, von Braun se entusiasmó de las posibilidades de la exploración espacial a través de las novelas de Julio Verne, y H. G. Wells. Los trabajos científicos de Hermann Oberth, alentaron a von Braun a estudiar diferentes cálculos y trigonometría para comprender la física de la cohetería.
En 1929, von Braun se unió a la sociedad de cohetes alemana Verein für Raumschiffahrt (VfR). En
1930 se graduó en ingeniería mecánica en el Instituto Politécnico de Berlín, y dos años más tarde obtuvo su Doctorado en Física por la Universidad de Berlín.
Se enroló en el ejército alemán para desarrollar misiles balísticos antes de la llegada de Adolf Hitler al poder en 1933, y fue posteriormente adscrito a las SS en 1940. Mientras realizaba su trabajo para el ejército, von Braun obtuvo un doctorado en ingeniería aeroespacial el 27 de julio de 1934.
Con el comienzo de la Segunda Guerra Mundial, el alto mando alemán le encargó el diseño de un cohete cargado de explosivos con el fin de atacar territorio enemigo. El equipo de ingenieros de von Braun trabajaba en un laboratorio secreto en Peenemünde, en la costa báltica, donde diseñó los modelos A3 y A4. Hitler, entusiasmado por los éxitos obtenidos, le ordenó la producción masiva del A4 con el nombre de "Vergeltungswaffe 2" (arma de represalia número 2) o simplemente V2, destinado a atacar Londres y el suelo inglés. Para la producción de estas armas, von Braun empleó trabajadores forzados, muchos de los cuales murieron en un bombardeo posterior en Peenemünde. Para el fin de la guerra se habían disparado 1.155 misiles V-2 contra Inglaterra, así como otros 1.625 misiles contra Amberes y otros objetivos continentales.
A pesar de su colaboración con el ejército alemán, von Braun tuvo problemas con la Gestapo al confirmar públicamente que le importaba muy poco el objetivo de Hitler, lo único que le importaba eran los viajes interplanetarios. Hacia principios de 1945 era obvio que Alemania no lograría la victoria de la guerra, por lo que von Braun empezó a planificar su futuro de posguerra.
Von Braun pudo contactar con los aliados y preparó la rendición ante las fuerzas estadounidenses, quienes desarrollaban la operación Paperclip para capturar a científicos alemanes y ponerlos al servicio del bando aliado. Von Braun se entregó junto a otros 500 científicos de su equipo, sus diseños y varios vehículos de prueba. Estuvo a punto de ser capturado por los rusos, que deseaban integrarlo en el equipo de Sergei Korolov.
Una vez en EE.UU, von Braun y sus colaboradores fueron instados a cooperar con la fuerza aérea estadounidense, a cambio, se les eximiría de culpa por su pasado nazi; esto incluía las muertes ocasionadas por el uso de sus proyectos aéreos por los nazis y el uso de obreros esclavos. Von Braun obtuvo la nacionalidad de los Estados Unidos el 14 de abril de 1955. Se había casado el 1 de marzo de 1947 con Maria von Quirstorp, con quien tuvo dos hijas, Iris y Magrit, y un hijo, Peter.
En los quince años siguientes, von Braun y su equipo fueron instalados en Fort Bliss (Texas), donde trabajó para el ejército de los Estados Unidos en el desarrollo de misiles balísticos que lanzaban en el Terreno de Pruebas en White Sands (Nuevo México).
El cohete V2 fue el precursor de los cohetes espaciales utilizados por Estados Unidos y la Unión Soviética. En 1950, el equipo de von Braun se mudó al arsenal de Redstone, cerca de Huntsville (Alabama), donde construyeron para el ejército el misil balístico Júpiter y los cohetes Redstone usados por la NASA para los primeros lanzamientos del programa Mercury. En 1960, su centro para el desarrollo de cohetes fue transferido del ejército a la NASA y allí se les encomendó la construcción de los gigantescos cohetes Saturno, siendo el más grande de ellos el que puso al hombre en la Luna. Von Braun se convirtió en el director del Centro de Vuelo Espacial Marshall de la NASA y el principal diseñador del Saturno V, que durante los años de 1969 y 1972 llevarían a los estadounidenses a la Luna.
La NASA le pidió en 1970 que se mudara a Washington, D.C. para liderar el plan estratégico de la agencia. Si bien dejó su casa en Huntsville, Alabama, sólo trabajó para la NASA por otros dos años para retirarse y se fue a trabajar a Fairchild Industries en Germantown, Maryland. Afectado de un cáncer de cólon, se retiró de Fairchild el 31 de diciembre de 1976. Seis meses después moriría.
