Wilhelm Hein wurde am 12. Februar 1940 in Duisburg geboren. Er studierte zunächst Kunst und Ökonomie an der Universität München, 1962 gefolgt von einem Studium der Kunstgeschichte, Philosophie und Germanistik in Köln. Noch während dieses Studiums heiratete er 1964 die Künstlerin und Experimentalfilmerin Birgit Hein (geborene Michelis), die er bereits 1959 im Rahmen einer Gruppenausstellung kennengelernt hatte. Bis zur Trennung 1988 arbeitete das Paar bei Filmen und Performances eng zusammen.

Im Zentrum ihres Schaffens standen strukturelle Filme, die sie aus gefundenem Material herstellten, so zum Beispiel den 20-minütigen "Rohfilm" (1968), aber auch die 1976/77 entstandenen, mittellangen "Materialfilme" und die 1987/88 realisierte Reihe der "Kali"-Filme, die jeweils zwischen drei und zwölf Minuten lang sind. 1968 gründete das Künstlerpaar in einer Baustelle der Kölner U-Bahn das Undergroundkino X-Screen, das zu den ersten Orten für unabhängig produzierte Filme in Deutschland wurde. Zweimal nahmen die Heins an der Documenta in Kassel teil: 1972 mit einer Filmarbeit und 1977 im Bereich bildender Kunst.

Von Beginn an waren die Heins auch Wegbegleiter des Berlinale Forums und des Arsenal Kinos, wo zahlreiche ihrer Filme liefen – und nach der Trennung 1988 die jeweils eigenen Werke. So auch 1994 Heins Dokumentarfilm "To Those Who Found No Graves", eine Spurensuche über die Opfer des Nationalsozialismus.

2002 wurde in New York der damals 65-minütige Film "You killed the Undergroundfilm or The Real Meaning of Kunst bleibt... bleibt...." uraufgeführt, an dem Hein seit 1994 gearbeitet hatte und der ein immer länger werdendes work-in-progress blieb. Eine weitere Fassung wurde 2005 mit dem Preis der Deutschen Filmkritik in der Kategorie Experimentalfilm ausgezeichnet. 2007 umfasste der Film bereits 15 Rollen und fast ebenso viele Stunden. Er besteht aus selbst gedrehtem 16mm-Material, Found Footage, Zufallsbeobachtungen, abstrakten Strukturen und Porträts prominenter Künstlerfreund*innen. Begleitend erschien auch eine zehnbändige Buchreihe mit insgesamt 3000 Seiten. 

Beim Preis der deutschen Filmkritik 2014 erhielt Hein den Ehrenpreis. Mit seiner Lebensgefährtin, der Fotokünstlerin Annette Frick, gab er zwischen 1992 und 2018 die Bildkunst-Zeitschrift "Jenseits der Trampelpfade" heraus.

Zwischen 1995 und 2018 entstand unter dem Titel "das Große und das Kleine Tohuwabohu" ein weiteres Opus Magnum, bestehend aus 100 Filmen von jeweils einer Stunde. Dazu gab Hein das Versprechen: "Garantie fürs Publikum: Not another boring Avantgarde Schrott". Einzelne Rollen daraus wurden unter anderem 2024 im Arsenal Kino gezeigt.

Am 15. März 2025 starb Wilhelm Hein, der als einer der bedeutendsten deutschen Avantgarde-Filmemacher gilt, im Alter von 85 Jahren.