1835년에 영국 리버풀에서 태어났다. 1852년에 런던 유니버시티 칼리지에 입학해 화학, 수학, 논리학을 공부했다. 그러나 그의 아버지가 하던 사업이 어려워지자 1854년에 학업을 중단하고 조폐국 감정사가 되어 호주로 떠났다. 이곳에서 그는 스미스의 ≪국부론≫과 밀의 ≪정치경제학 원리≫를 읽었으며, 라드너의 ≪철도 경제≫를 읽고서 수학을 사용해 경제를 분석하는 데 관심을 갖게 되었다.

1859년에 런던으로 돌아와 다음 해에 학사 학위를 받았으며, 1862년에 논리학, 철학, 정치경제학의 석사 학위를 받았다. 그리고 같은 해에 케임브리지에서 열린 영국과학진보협회 학술 대회에 논문 두 개를 보냈다. 그중 하나가 ＜정치경제학의 일반수리이론 소개＞인데, 이때 소개한 내용이 9년 후에 ≪정치경제학 이론≫으로 발간된다.

제번스는 1866년에 오언스 칼리지의 논리학, 철학, 정치경제학 교수로 임용된다. 그의 관심이 논리학으로 되돌아온 것도 이 무렵이다. 1870년에 발간한 그의 ≪기초논리학 강의≫는 널리 읽히는 교재가 되었다. 그리고 1874년에는 그가 오랫동안 심혈을 기울여 저술한 ≪과학의 원리≫가 발간된다. 이 책은 과학적 추론에 관한 이론이며, 인식론적 확률 이론을 받아들인다. 그는 이 책이 밀의 ≪논리학의 체계≫에 필적하기에 충분하다고 생각했다.

제번스는 1869년에 맨체스터 통계학회 회장으로 선출되었고, 같은 해에 영국과학진보협회 경제과학 및 통계학 분과 회장으로 지명되었다. 그리고 1872년에 영국 왕립협회의 펠로로 선출되었다. 1876년에는 런던 유니버시티 칼리지의 정치경제학 교수로 취임했다. 강의하기를 그다지 좋아하지 않는 데다 건강이 더 나빠지자 1880년에 은퇴했다. 그는 의사의 만류에도 불구하고 수영을 즐겼는데, 1882년 8월 13일에 바다에서 수영하다 익사했다.