Willem Einthoven nació el 21 de mayo de 1860 en la isla de Java, anteriormente parte de las Indias Orientales Holandesas y ahora Indonesia. Era el hijo mayor de Jacob Einthoven y Louise M. M. C. de Vogel. Cuando Willem Einthoven tenía solo 6 años, su padre murió. Su madre trasladó a la familia, incluyendo al joven Einthoven y sus cinco hermanos, a Utrecht, Países Bajos, unos años más tarde. A los 18 años, Einthoven entró en la universidad allí, con la intención de estudiar medicina como su padre, que había sido médico y oficial médico militar. Einthoven fue un estudiante excepcional y recibió su doctorado en 1885 después de completar una tesis sobre estereoscopía.
Einthoven aceptó un puesto como profesor de fisiología en la Universidad de Leiden en 1886, y el mismo año se casó con su prima Frédérique Jeanne Louise de Vogel, con quien tendría cuatro hijos. Sus intereses profesionales se centraron en la óptica, la respiración y el corazón. Alrededor de 1889, Einthoven asistió al Primer Congreso Internacional de Fisiólogos, donde vio al fisiólogo británico Augustus Waller demostrar el uso de un electrómetro capilar Lippmann para registrar la actividad eléctrica del corazón. El electrómetro capilar registró variaciones de potencial, pero debido a su largo tiempo de ajuste, las mediciones realizadas por el dispositivo no reflejaron directamente el momento de los cambios potenciales en el músculo cardíaco latente. Einthoven realizó un análisis del electrómetro y de las curvas que producía, lo que resultó en la formulación de un medio para corregir los resultados del instrumento con el fin de obtener un registro preciso del ciclo cardíaco. Utilizando este método, en 1895 Einthoven identificó cinco desviaciones de corriente eléctrica que aparecen en un electrocardiograma, que se dio cuenta que correspondían a variaciones en los impulsos eléctricos en ciertos puntos durante el ciclo cardíaco y que designó P, Q, R, S y T.
A pesar de este logro, Einthoven se dio cuenta de que para las evaluaciones médicas regulares de los seres humanos, el electrómetro capilar no era práctico debido al tiempo involucrado en el cálculo de las correcciones. Comenzó a desarrollar un nuevo instrumento que sería capaz de registrar directamente las variaciones potenciales con el tiempo, lo que resultó en el galvanómetro de cuerdas de Einthoven, que inventó en 1901. El dispositivo era similar en muchos aspectos a los galvanómetros de cuerda ya en uso para amplificar las señales transmitidas a través de cables submarinos de larga distancia, pero era mucho más sensible. El galvanómetro Einthoven empleaba una fina cadena de cuarzo balanceada verticalmente entre los dos polos de un imán para que se desviara cada vez que se produjera una variación en el potencial eléctrico. Las desviaciones podían ser amplificadas y grabadas fotográficamente o trazadas directamente en papel. Einthoven probó el nuevo instrumento y analizó los resultados obtenidos a lo largo de muchos años para garantizar su precisión y practicidad para el trabajo médico. El instrumento fue un elemento clave en su invención del electrocardiógrafo en 1903.
Einthoven publicó la primera descripción detallada de su galvanómetro en 1909, y el interés en el dispositivo fue sustancial. Para entonces, Einthoven ya había confirmado que la representación gráfica que obtuvo de su trabajo corregido con el electrómetro capilar era casi idéntica a las formas de onda eléctricas mostradas por su galvanómetro, confirmando que había descubierto una manera de producir un electrocardiograma verdadero. Einthoven también había encontrado que los electrocardiogramas generalmente se ajustan a un tipo básico, que los individuos producen sus propios electrocardiogramas característicos que se ajustan típicamente a este tipo, y que las desviaciones a menudo se asocian con enfermedades cardíacas. En 1906 y 1908, publicó artículos que incluían numerosos ejemplos de electrocardiogramas obtenidos de pacientes con varios tipos de anomalías cardíacas. Luego, de 1908 a 1913, reorientó sus esfuerzos, concentrándose en el corazón sano con el fin de reconocer mejor los patrones de actividad eléctrica que produce y, por lo tanto, desarrollar una capacidad mejorada para detectar diferencias relacionadas con la enfermedad de los patrones.
Una vez que los galvanómetros de Einthoven estuvieron disponibles comercialmente, los instrumentos comenzaron a aparecer rápidamente en laboratorios fisiológicos y, finalmente, en la mayoría de los hospitales. Esto permitió a otros investigadores llevar a cabo estudios similares a los de Einthoven, mejorando en gran medida la capacidad de los profesionales médicos para diagnosticar problemas cardíacos. Cuando Thomas Lewis publicó su texto clásico sobre el mecanismo del latido del corazón, reconoció acertadamente su deuda con Einthoven al dedicar el trabajo al fisiólogo pionero. Los médicos del corazón y los investigadores fisiológicos de todo el mundo siguen debiendo un crédito similar a Einthoven. Aunque las máquinas electrocardiográficas modernas han evolucionado desde principios del siglo XX, todavía funcionan con los mismos principios básicos explotados por Einthoven.
Por su descubrimiento del mecanismo del electrocardiograma, Einthoven fue galardonado con el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1924. Durante su aceptación del gran honor, reconoció modestamente las contribuciones de muchos otros que habían ayudado a hacer posible el trabajo. Hasta el momento de su muerte en 1927, Einthoven, que era miembro de la Real Academia Holandesa de Ciencias, continuó como profesor en la Universidad de Leiden.