Nacido en Orange (New Jersey), Estados Unidos, estudió filosofía y psicología en las universidades de Yale y Columbia, doctorándose en Nueva York, en el College of Surgeons and Physicians de la Columbia (1927). Después de trabajar varios años en el Bellevue Hospital de Nueva York, inició su actividad académica en el laboratorio de neurofisiología de la Universidad de Yale (1934-41), donde trabaja con Dusser de Barenne, y, posteriormente, en el departamento de psiquiatría de la Universidad de Illinois en Chicago (1941-52), período en el trabaja con Walter Pitts. En 1952, se incorporó al laboratorio de investigaciones electrónicas del MIT, donde investigó acerca de un modelo de red neuronal destinado a examinar el sistema de percepción visual en el ojo de la rana y el procesamiento de la información en el cerebro. Fundador de la American Society for Cybernetics, de la que fue su primer presidente (1967-68).

Con Walter Pitts publica "A Logical Calculus of the Ideas Immanent in Nervous Activity" (1943) y "How We Know Universals: The Perception of Auditory and Visual Forms" (1947), ambos trabajos en el Bulletin of Mathematical Biophysics, que se convertirán en la base teórica para el conocimiento de las redes neuronales, la computación, la cibernética y la inteligencia artificial. Sus planteamientos, probados en modelizaciones neuronales computerizadas en el MIT, reconstruyeron la actividad cerebral y sirvieron para abrir todo un espacio de hipótesis acerca de la creación de máquinas inteligentes -Turing le calificó de "charlatan"- y de lo que, en base a estas ideas, Norbert Wiener denominó ‘cibernética’. El trabajo de McCulloch está en el origen de los desarrollos de la neurofisiología de los procesos cognitivos, el constructivismo radical y de la biología del conocimiento de Maturana y Varela, entre otros.