1949年，初中毕业前王永志加入了中国共产党。
1952年，高中毕业，报考了清华大学航空系飞机设计专业。后因为1952年院系调整并入北京航空航天大学。
1955年，到莫斯科航空学院飞行器设计系飞机设计专业学习。三年级时根据中苏两国政府的协议改学火箭导弹设计。
1960年夏，在苏联米申院士的指导下，王永志的毕业论文选择了洲际导弹设计，并以优秀的成绩通过答辩，同时获得了优秀生毕业文凭和工程师称号。
1961年，毕业于莫斯科航空学院，毕业后投身于中国第一种自行设计的火箭设计和研制工作，参加了多种火箭的设计和研制，先后担任洲际火箭副总设计师，三种火箭总设计师，是长征二号捆绑式运载火箭的主要倡导者之一和研制总指挥， 曾任中国火箭研究院院长。
1977年底，王永志在七机部规划会议上提出对载人航天跟踪研究的建议，并获准他所在的第一设计部成立一个跟踪研究小组。
1978 年，王永志在第一设计部成立了以航天飞机为主要对象的跟踪研究小组，并亲自领导。
1978-1980年，七机部第一研究院总体设计部副主任、主任。
1980-1991年，七机部第一研究院副院长、院长。
1986年3月，国务院组织专家制定中国高技术发展计划，王永志是200名参加者之一，并任其中一个论证组的组长。中央批准国家高技术（863）研究发展计划后，王永志被聘为863国家高技术航天领域专家委员会7名成员之一。在首席科学家主持下，主要负责天地往返运输系统和大型运载火箭的论证工作，参与拟制中国载人航天的发展蓝图。经过4年多的论证，专家委员会上报了《概念论证阶段综合报告》。
1987年起，王永志作为“863”航天领域专家委员会成员，参与制定中国载人航天的发展蓝图。
1991 年，调任航空航天部科学技术委员会副主任、运载火箭系列总设计师、地地导弹系列总设计师和中国载人航天工程总设计师。
1992年1月，王永志被任命为载人航天工程技术、经济可行性论证组组长，主持拟制了该工程七大系统的技术途径和主要技术方案。同年8-9月，王永志代表论证组先后向中央汇报了工程主要技术方案和“三步走”的发展战略，均被肯定。
1992-2007年，担任中国载人航天工程总设计师。
1994 年，调往原国防科学技术工业委员会（现解放军总装备部）继续担任载人航天工程总设计师。
2004年-2018年6月，担任清华大学航天航空学院院长。
2018年6月，担任清华大学航天航空学院荣誉院长。
2010年5月4日，国际小行星中心先后发布公报通知国际社会，将国际永久编号第46669号小行星命名为“王永志星”。
2014年9月15日，太空探索者协会第27届年会在北京闭幕。中国载人航天工程首任总设计师王永志被太空探索者协会授予水晶头盔奖。
他为中国载人航天事业的开拓和进步作出了重要的贡献。（新华网评）
王永志是航天技术专家，是中国载人航天工程的开创者之一和学术技术带头人。40多年来在中国战略火箭、地地战术火箭以及运载火箭的研制工作中做出了突出的贡献，特别是在载人航天工程中做出了重大贡献。（共产党网评）
在推动中国航天事业、特别是载人航天领域所做出的卓越贡献。（科学技术部副部长侯建国评
几十年来他长期致力于中国战略导弹、运载火箭和载人航天工程的研制试验工作，取得卓著成就。他锐意进取，大胆创新，提出了一系列推动中国载人航天工程和导弹、火箭技术跨越式发展的设计思想。为表彰王永志同志为中国战略导弹、运载火箭的研制与发展，特别是为载人航天工程跨越式发展做出的重大贡献，王永志同志是实现中华民族飞天梦想的开拓者，是国防科研战线上的一面旗帜。全军和武警部队要向王永志同志学习，学习他对党、对人民、对祖国、对社会主义无限忠诚，将聪明才智奉献给中国科学事业的高尚品德；学习他紧跟科技前沿，刻苦钻研，勇攀世界科技高峰的拼搏精神；学习他勤奋敬业，不图名利，忘我工作的强烈事业心和责任感，为加速、推进军队革命化、现代化、正规化建设作出新的贡献！（中央军委评）