王徵父親是個擅長數學的私塾先生，舅父通曉兵法，善制器械，這對他後來熱衷於西方科學技術的學習和從事發明創造、產生了直接影響。
王徵從七歲起，就住讀在外家，自幼即與外家的關係相當密切，其舅父張鑑乃爲關中理學名儒。
萬曆十三年，年方十五的王徵娶舅母尚氏的侄女爲妻。
萬曆二十二年，王徵中舉。
萬曆四十二年十月，龐廸我 (Diego de Pantoja, 1571-1618) 刊行《七克》一書，此書闡述應如何剋制天主所禁的驕傲、嫉妒、慳吝、忿怒、迷飲食、迷色、懈惰於善等七罪，每罪並在解說之後，列舉聖師的言論以及先聖先賢修德的故事，王徵自友人處獲贈一部，閱後深受感動，甚至「日取《七克》置牀頭展玩」。四十四年，王徵赴京會試落第，但卻得親炙龐氏，並與他時相過從，習學天主教「畏天愛人」之理。王氏教名爲斐理伯 (Philippe)。
天啓二年登三甲進士，時年五十二。由於其時王徵已受洗奉教，故他在中進士之後，隨即致書家人，戒勿爲其娶妾，稱：「今日登第，皆天主之賜，敢以天主所賜者而反獲罪於天主乎?」由於他參加會試十次始博得一第，且又發生在其受洗後不久，因此，王徵深信自己的登科乃歸功於天主的默佑。
天啓二年六月，王徵授直隸廣平府推官。稍後，舉家均同往。其妻尚氏雖曾育有多男，卻均以出痘殤，僅二女存，王徵在「妻女跽懇，弟侄環泣，父命嚴諭」的情形下，心意鬆動，遂在不公開的情形下，於天啓三年娶入年僅十五的申氏 (1609-1678) 爲妾，希望能生子以延續香火。
天啓四年三月，王徵的繼母過世。五年春，丁憂歸裏的王徵邀金尼閣至三原一帶開教，居留近半載，併爲其家人付洗。由於娶妾一直是被在華天主教視爲重罪，王徵自覺罪孽深重，乃數請金氏等神父爲其解罪，但均不獲允，且謂其曰：「非去犯罪之端，罪難解也!」王徵於是痛自追悔，立意嫁妾以贖罪，但尚氏則力加挽留，而申氏也痛哭幾殞，聲言願進教守貞，誓死不肯改嫁，王徵無法。
崇禎元年九月，王徵之父病卒。翌年，王徵乞同年好友鄭鄤爲其父母撰墓誌銘，他在〈爲父求墓誌狀稿〉一文中，稱已過繼大弟徽之次子永春爲嗣，王徵或以此法擺脫絕嗣的壓力。王徵稍後又過繼季弟徹之三子永順爲嗣，此故，他在崇禎十二年爲分家所寫之〈析箸文簿自敘瑣言〉一文中，即稱己寫有嗣書兩紙，要二子各自珍藏。
崇禎四年二月，丁憂服滿的王徵在登萊巡撫孫元化的薦舉下獲授遼海監軍道，協助同爲天主教徒的孫氏練兵。是年，孔有德率部在吳橋叛變，五年正月，且陷登州城。孫元化在自刎未遂後，與王徵等官同遭叛軍所擄。二月，孔有德用耿仲明之計，盡放孫元化和王徵等人還朝。七月，孫元化遭棄市，王徵則很幸運地因友人來於廷加意爲其昭雪，而僅發送附近衛所充軍，於廷其時適以刑部山東司員外郎的身份審理此桉，稍後，王徵遇赦還家。
王徵赦歸之後，因流寇猖獗，乃在地方募鄉兵以自衛，據《魯橋鎮志》中申氏小傳的記載，他當時「憂深國事，剋意圖賊，夙夜匪懈，終身不入內室」，其實，他「不入內室」的主因，應爲避免加重違反教規之罪。或由於申氏與王徵僅有過相當短的正常婚姻生活，以致她一直不曾生育。王徵此時對天主教的信仰益發虔誠，四處募款營建景天閣(應即教堂)。
崇禎九年十二月，年已六十六歲的王徵，下定決心要將其婚姻問題徹底解決，他公開發表〈祈請解罪啓稿〉一文， 承認自己曾嚴重違反「十誡」的教規，並稱日前偶讀及《彌格爾張子靈應奇蹟》和《口鐸日抄》中有關自己曾宣稱不願娶妾一事，更覺羞愧悔恨，故立誓從今而後，視申氏一如賓友，且斷色以求解罪。但王徵或與楊廷筠一樣，僅將申氏「異處」，而非休棄，此故，申氏於王徵死後仍被要求爲王家掌理家務。
崇禎十六年十月，李自成陷西安，王徵聽聞李自成欲其出來做官，於是先自題墓石曰「有明進士奉政大夫山東按察司僉事奉敕監遼海軍務了一道人良甫王徵之墓」，又書「精白一心事上帝，全忠全孝更無疑」等字付其子永春，更引佩刀坐臥家中的天主堂準備自盡，聲言欲「以頸血謝吾主」。後李自成的使者果至，王徵遂拔所佩高麗刀欲自殺，使者上前奪刀，拉扯間使者傷手出血，大怒，本欲執王徵以行，經永春哀求，使者乃系永春回見自成，王徵謂其子曰：「兒代我死，死孝;我矢自死，死忠。雖不能不痛惜，兒願以忠孝死，甘如飴也!」遂從此絕粒不復食，凡七日，於十七年三月初四日卒。
王徵墓位於陝西省咸陽城北60公里處三原縣張家坳鄉官道村。是一座明代墓葬。1962年當地修渠時，墓上碑石遭到破壞，墓也被夷爲平地。1990年，文物部門調查證實時補修了陵墓封土。墓高3米，底部周長25米。如今是陝西省重點文物保護單位。
王徵死後，申氏也欲絕食以殉夫。是時，永春方代父系於賊所，尚氏聞變亦憂憤成疾，奄奄在牀，尚氏因而要求申氏「留一線命」，以處理王徵與尚氏的後事，並照顧王家後人。申氏在不得已的情形下，乃勉強進食，但卻毅然斷髮毀容，王徵表弟張炳璿因此稱揚她「青年貞靜，矢志靡他，小星中尤難多得」。由於王家已家道中落，申氏於是躬親紡紉以供家用，備嘗艱苦。不數年，尚氏過世。永春也卒於康熙七年，育子女各一。申氏自此獨力撫養兩孫，當其七十大壽時，孫男王瑱延請鄉里名宦爲文祝賀，並奉觴加羹以進，申氏見此卻悲從中來，她聲稱自己先前之所以忍辱偷生，乃因主母託孤，而今責任已了，故竟不食而死。
王徵早年信佛，但在其母於萬曆二十三年過世後，因偶見道書中有「一子成仙，九祖昇天」之語，思欲藉悟道以報親恩，乃轉而篤信道教達二十餘年，並編撰有《周易參同契注》、《百字牌》、《辨道篇》、《元真人傳》、《下學》、《了心丹》等道教書籍，但他同時也仍與僧人往來密切。
王徵52歲時考中進士，曾任直隸廣平府(今河北永年縣東南)、楊州府官和山東按察司事監遼海軍務。在揚州做官時，對魏忠賢的生祠，王徵和另一陝西三原人拒不朝拜。被當時人譽爲“關西二勁”。
明末，建州叛亂和流寇猖獗使得許多有識之士大力提倡實學，希冀能藉此富國強兵。王徵在入京會考時曾以舉人身份上書皇帝，願以“布衣從戎”報效國家，積極練兵備戰。後來，參考古代諸家兵書，寫成《兵約》一書。不久又著《客問》一書，具體地提出了制敵方略。
王徵做官以前，在家鄉以著書講學爲務，精研理學，並開始從事一些農具和日常用具的改良和發現。他這一時期的科學成就，後被收入《新制諸器圖說》一書，理學著作《兩理略》、《辯道說》等，均在這一時期完成。
王徵在入京赴試的數十年裏，適逢意大利傳教士利瑪竇等來華傳教，他與教士金尼閣、湯若望、龍華尼、鄧玉函交往甚密，並向傳教士們學習拉丁文和西方科學知識。根據鄧玉函口授，自己筆譯，於1627年寫成了《遠西奇器圖說錄》，以達到他科技救國的目的。
王徵晚年正逢李自成起義，當他面對國亡的殘酷事實時，他必須在「大節」和「十誡」之間立做判斷，深浸於儒家傳統的王徵，毅然選擇了自殺盡節。
