王徵父亲是个擅长数学的私塾先生，舅父通晓兵法，善制器械，这对他后来热衷于西方科学技术的学习和从事发明创造、产生了直接影响。
王徵从七岁起，就住读在外家，自幼即与外家的关系相当密切，其舅父张鉴乃为关中理学名儒。
万历十三年，年方十五的王徵娶舅母尚氏的侄女为妻。
万历二十二年，王徵中举。
万历四十二年十月，庞廸我 (Diego de Pantoja, 1571-1618) 刊行《七克》一书，此书阐述应如何克制天主所禁的骄傲、嫉妒、悭吝、忿怒、迷饮食、迷色、懈惰于善等七罪，每罪并在解说之后，列举圣师的言论以及先圣先贤修德的故事，王徵自友人处获赠一部，阅后深受感动，甚至「日取《七克》置床头展玩」。四十四年，王徵赴京会试落第，但却得亲炙庞氏，并与他时相过从，习学天主教「畏天爱人」之理。王氏教名为斐理伯 (Philippe)。
天启二年登三甲进士，时年五十二。由于其时王徵已受洗奉教，故他在中进士之后，随即致书家人，戒勿为其娶妾，称：「今日登第，皆天主之赐，敢以天主所赐者而反获罪于天主乎?」由于他参加会试十次始博得一第，且又发生在其受洗后不久，因此，王徵深信自己的登科乃归功于天主的默佑。
天启二年六月，王徵授直隶广平府推官。稍后，举家均同往。其妻尚氏虽曾育有多男，却均以出痘殇，仅二女存，王徵在「妻女跽恳，弟侄环泣，父命严谕」的情形下，心意松动，遂在不公开的情形下，于天启三年娶入年仅十五的申氏 (1609-1678) 为妾，希望能生子以延续香火。
天启四年三月，王徵的继母过世。五年春，丁忧归里的王徵邀金尼阁至三原一带开教，居留近半载，并为其家人付洗。由于娶妾一直是被在华天主教视为重罪，王徵自觉罪孽深重，乃数请金氏等神父为其解罪，但均不获允，且谓其曰：「非去犯罪之端，罪难解也!」王徵于是痛自追悔，立意嫁妾以赎罪，但尚氏则力加挽留，而申氏也痛哭几殒，声言愿进教守贞，誓死不肯改嫁，王徵无法。
崇祯元年九月，王徵之父病卒。翌年，王徵乞同年好友郑鄤为其父母撰墓志铭，他在〈为父求墓志状稿〉一文中，称已过继大弟徽之次子永春为嗣，王徵或以此法摆脱绝嗣的压力。王徵稍后又过继季弟彻之三子永顺为嗣，此故，他在崇祯十二年为分家所写之〈析箸文簿自叙琐言〉一文中，即称己写有嗣书两纸，要二子各自珍藏。
崇祯四年二月，丁忧服满的王徵在登莱巡抚孙元化的荐举下获授辽海监军道，协助同为天主教徒的孙氏练兵。是年，孔有德率部在吴桥叛变，五年正月，且陷登州城。孙元化在自刎未遂后，与王徵等官同遭叛军所掳。二月，孔有德用耿仲明之计，尽放孙元化和王徵等人还朝。七月，孙元化遭弃市，王徵则很幸运地因友人来于廷加意为其昭雪，而仅发送附近卫所充军，于廷其时适以刑部山东司员外郎的身份审理此桉，稍后，王徵遇赦还家。
王徵赦归之后，因流寇猖獗，乃在地方募乡兵以自卫，据《鲁桥镇志》中申氏小传的记载，他当时「忧深国事，克意图贼，夙夜匪懈，终身不入内室」，其实，他「不入内室」的主因，应为避免加重违反教规之罪。或由于申氏与王徵仅有过相当短的正常婚姻生活，以致她一直不曾生育。王徵此时对天主教的信仰益发虔诚，四处募款营建景天阁(应即教堂)。
崇祯九年十二月，年已六十六岁的王徵，下定决心要将其婚姻问题彻底解决，他公开发表〈祈请解罪启稿〉一文， 承认自己曾严重违反「十诫」的教规，并称日前偶读及《弥格尔张子灵应奇迹》和《口铎日抄》中有关自己曾宣称不愿娶妾一事，更觉羞愧悔恨，故立誓从今而后，视申氏一如宾友，且断色以求解罪。但王徵或与杨廷筠一样，仅将申氏「异处」，而非休弃，此故，申氏于王徵死后仍被要求为王家掌理家务。
崇祯十六年十月，李自成陷西安，王徵听闻李自成欲其出来做官，于是先自题墓石曰「有明进士奉政大夫山东按察司佥事奉敕监辽海军务了一道人良甫王徵之墓」，又书「精白一心事上帝，全忠全孝更无疑」等字付其子永春，更引佩刀坐卧家中的天主堂准备自尽，声言欲「以颈血谢吾主」。后李自成的使者果至，王徵遂拔所佩高丽刀欲自杀，使者上前夺刀，拉扯间使者伤手出血，大怒，本欲执王徵以行，经永春哀求，使者乃系永春回见自成，王徵谓其子曰：「儿代我死，死孝;我矢自死，死忠。虽不能不痛惜，儿愿以忠孝死，甘如饴也!」遂从此绝粒不复食，凡七日，于十七年三月初四日卒。
王徵墓位于陕西省咸阳城北60公里处三原县张家坳乡官道村。是一座明代墓葬。1962年当地修渠时，墓上碑石遭到破坏，墓也被夷为平地。1990年，文物部门调查证实时补修了陵墓封土。墓高3米，底部周长25米。如今是陕西省重点文物保护单位。
王徵死后，申氏也欲绝食以殉夫。是时，永春方代父系于贼所，尚氏闻变亦忧愤成疾，奄奄在床，尚氏因而要求申氏「留一线命」，以处理王徵与尚氏的后事，并照顾王家后人。申氏在不得已的情形下，乃勉强进食，但却毅然断发毁容，王徵表弟张炳璿因此称扬她「青年贞静，矢志靡他，小星中尤难多得」。由于王家已家道中落，申氏于是躬亲纺纫以供家用，备尝艰苦。不数年，尚氏过世。永春也卒于康熙七年，育子女各一。申氏自此独力抚养两孙，当其七十大寿时，孙男王瑱延请乡里名宦为文祝贺，并奉觞加羹以进，申氏见此却悲从中来，她声称自己先前之所以忍辱偷生，乃因主母托孤，而今责任已了，故竟不食而死。
王徵早年信佛，但在其母于万历二十三年过世后，因偶见道书中有「一子成仙，九祖升天」之语，思欲藉悟道以报亲恩，乃转而笃信道教达二十馀年，并编撰有《周易参同契注》、《百字牌》、《辨道篇》、《元真人传》、《下学》、《了心丹》等道教书籍，但他同时也仍与僧人往来密切。
王徵52岁时考中进士，曾任直隶广平府(今河北永年县东南)、杨州府官和山东按察司事监辽海军务。在扬州做官时，对魏忠贤的生祠，王徵和另一陕西三原人拒不朝拜。被当时人誉为“关西二劲”。
明末，建州叛乱和流寇猖獗使得许多有识之士大力提倡实学，希冀能藉此富国强兵。王徵在入京会考时曾以举人身份上书皇帝，愿以“布衣从戎”报效国家，积极练兵备战。后来，参考古代诸家兵书，写成《兵约》一书。不久又著《客问》一书，具体地提出了制敌方略。
王徵做官以前，在家乡以著书讲学为务，精研理学，并开始从事一些农具和日常用具的改良和发现。他这一时期的科学成就，后被收入《新制诸器图说》一书，理学著作《两理略》、《辩道说》等，均在这一时期完成。
王徵在入京赴试的数十年里，适逢意大利传教士利玛窦等来华传教，他与教士金尼阁、汤若望、龙华尼、邓玉函交往甚密，并向传教士们学习拉丁文和西方科学知识。根据邓玉函口授，自己笔译，于1627年写成了《远西奇器图说录》，以达到他科技救国的目的。
王徵晚年正逢李自成起义，当他面对国亡的残酷事实时，他必须在「大节」和「十诫」之间立做判断，深浸于儒家传统的王徵，毅然选择了自杀尽节。
