Nach seiner Schulzeit begann Wagenfeld eine Lehre in einer Silberwarenfabrik und besuchte anschließend die Zeichenakademie in Hanau.
Nach einem Jahr in Bremen und Worpswede ging er, begeistert von der ersten großen Bauhaus-Ausstellung ''''Kunst und Technik - eine neue Einheit'''', 1923 an das Bauhaus nach Weimar. Dort erhielt er eine Ausbildung in der Metallwerkstatt und besuchte einen Vorkurs bei Moholy-Nagy. Dabei schuf er nach einer von Moholy gestellten Aufgabe die „Wagenfeld Leuchte“, die heute zu den berühmtesten Leuchten der Bauhauszeit zählt.

Von 1926 an war Wagenfeld zunächst als Assistent, dann bis 1930 Lehrer an der Staatlichen Bauhochschule in Weimar.

In den Jahren 1930 bis 1934 fertigte Wilhelm Wagenfeld Arbeiten für die Jenaer Glaswerke Schott + Gen. an und übernahm 1935 die künstlerische Leiter der Vereinigten Lausitzer Glaswerke (VLG) in Weißwasser.

Im Herbst 1942 wurde Wagenfeld als politisch missliebige Person zum Militärdienst eingezogen. Nach dem Krieg war Wagenfeld kurze Zeit Professor an der Hochschule für Bildende Künste in Berlin (Charlottenburg). 1949 übernahm er das Referat für Industrielle Formgebung im Württembergischen Landesgewerbeamt in Stuttgart.

Später siedelte Wilhelm Wagenfeld nach Stuttgart über und gründete 1954 die ''''Werkstatt Wagenfeld'''' zur Entwicklung von Industriemodellen. Hier widmete er sich mit wenigen Mitarbeitern einer breiten Entwicklungspalette für die verschiedensten Branchen, womit er seinen internationalen Ruf festigen konnte. Erst mit 87 Jahren gab er seine Arbeitsräume auf.
Bis zu seinem Tod 1990 blieb er ein aufmerksamer und kritischer Beobachter der nationalen und internationalen Designentwicklung.