Il fut diplômé de l'Université de l'État de l'Ohio et obtint un Ph.D. en physique nucléaire au Caltech. Son article fondateur Synthèse des éléments dans les étoiles, corédigé avec Margaret Burbidge, Geoffrey Burbidge et Fred Hoyle, fut publié en 1957. L'article explique comment l'abondance de tous les éléments chimiques sauf les plus légers peut être expliquée par le processus de nucléosynthèse dans les étoiles.
Fowler reçut la maîtrise de conférences Henry Norris Russell de la Société américaine d'astronomie en 1963, la médaille Eddington en 1978, la médaille Bruce en 1979. Il est lauréat d'une moitié du prix Nobel de physique de 1983 (l'autre moitié a été remise à Subrahmanyan Chandrasekhar) « pour ses études théoriques et expérimentales des réactions nucléaires importantes dans la formation des éléments chimiques de l'univers ». Il a parfois été dit que le Prix Nobel de Fowler aurait également dû être partagé avec Geoffrey Burbidge, avec qui il avait été associé dans un grand nombre de ses travaux. Il est possible que ce dernier ait été écarté par le Comité Nobel en raison de ses positions contre le modèle cosmologique du Big Bang auquel il a toujours préféré la théorie de l'état stationnaire.
Il reçoit la Légion d'honneur en 1989 par le Président François Mitterrand.
