"Bill" Hartmann naît le à New Kensington (Pennsylvanie). Il obtient un B.S. en Physique de l'Université d'Etat de Pennsylvanie, puis part à Tucson (Arizona) pour étudier et travailler au Laboratoire Lunaire et Planétaire de Gerard Kuiper où il obtient un doctorat en astronomie planétaire et une Maîtrise en Géologie de l'Université d'Arizona, dont il intègre l'Institut de Science Planétaire (PSI), dont il va devenir scientifique sénior.
Par la suite il est professeur assistant au Laboratoire Lunaire et Planétaire de l'Université d'Arizona. en il est consultant pour la North American Aviation pour les études LESA (NASA). L'année suivante il est nommé colauréat du Prix Météoritique Ninninger pour l'année en .
Il sert également comme photo-analyste sur le Comité Sélectionné sur les Assassinats de la Chambre des Représentants U.S. et sur l'étude des ovnis de Condon, dont il sera enquêteur principal.
Il est membre du Panel sur les Géosciences pour recommander la recherche lunaire post-Apollo. Il a réalisé des photo-analyses lunaires et planétaires aux champs volcaniques de Mexico, Hawaii et de l'Arizona.
en il intègre la mission Mariner 9, qui pour la 1ʳᵉ fois cartographie Mars en détail depuis un appareil en orbite. Là, il est co-investigateur avec Bruce Murray (Caltech) et Carl Edward Sagan (Cornell) et travaille dans l'équipe de cartographie qui va découvrir pour la première fois des lits d'anciens fleuves et autres caractéristiques de la planète rouge, jusque en . Un astéroïde (n° 3341) porte son nom.
Il est le 1er à cartographier les structures radiales concentriques des basins d'impact et utilise les comptages de cratère du groupe de catalogage lunaire de DWG Arthur pour déduire l'age exact de la lunar maria. en avec le Dr. Don Davis (du PSI), il développe la théorie moderne de l'origine de la Lune et l'astéroïde n° 3341 reçoit son nom en reconnaissance de sa recherche planétaire.
Co-auteur avec Ron Miller de The Grand Tour: A Traveler's Guide to the Solar System, un guide "touristique" du système solaire, pour lequel il est nominé en .
Dans les années 1980s il fait partie de l'équipe Hawaïenne Mauna Kea qui est la première à avancer l'idée que les comètes aient des surfaces très sombres, comme du charbon.
À côté de cela, c'est un artiste écrit livres et nouvelles, mais aussi et surtout réalise des peintures professionnelles. Ses peintures astronomiques sont utilisées dans divers livres et exhibitions, et il est le 1er lauréat de la Médaille Carl Sagan de la Société Astronomique Américaine pour sa communication de la science planétaire au public (en ), est élu à Fellow de l'AAAS (en ) et est colauréat de la Médaille Rucorn-Florensky de la Société Géophysique Européenne pour son travail sur les cratères (en ).
Ses travaux scientifiques touchent à l'origine et l'évolution des planètes et des surfaces planétaires et des petits corps dans le système solaire.
Il travaille également sur la mission Mars Observer (NASA), et à partir de en il intègre l'équipe d'imagerie de MGS de la NASA. Cette année-là il publie une nouvelle sur cette "planète rouge" s1Mars Hartmann, W. K.: Mars Underground, 1997.
Par la suite il publiera une autre nouvelle sur le Sud-Ouest s2Hartmann, W. K.: Cities of Gold, 2002 ainsi qu'un nouveau guide "touristique", cette fois focalisé sur Mars s3Hartmann, W. K.: Grand Tour : A Traveler's guide to Mars - The Mysterious Landscapes of the Red Planet, Workman Publishing, 2003, que reprendra Pierre Lagrange.