1927年9月11日生於上海，原籍浙江紹興。1935年來港，曾在香港培正中學就讀。1947年，在叔父王鵬翼引薦下，開始參與電影工作，曾擔任電影場記、錄音、助導等崗位，亦做過電影沖印、剪輯等工作。1950年開始執導，第一部是粵語片《峨嵋飛劍俠》，那時王天林不過二十三歲。他的成名作是與張善琨聯手執導的國語片《桃花江》，由「小野貓」鍾情、羅維、陳厚等主演，掀起了國語歌唱片的潮流。

1958年拍攝《地下火花》時，在泰國認識了電懋的宋淇，回港後即獲其推薦加入電懋，並一直留至七十年代初的國泰時期。王天林在電懋的日子，可說是其電影生涯的黃金時期，拍了許多出色的作品，包括獲得第七屆亞洲影展最佳導演的《家有喜事》(1959)、《樑上佳人》(1959)、《野玫瑰之戀》(1960)、《南北和》(1961)、《教我如何不想她》(1963)、《啼笑姻緣》(1964)等。其中《野玫瑰之戀》更成為香港歌舞片的經典之作。拍國語片之餘，他也拍過不少粵語片，很多是以黃飛鴻、方世玉為主角的武俠片，也有文藝片如《翠樓春曉》(1960)、《福慧雙修》(1962)等。早於五十年代，他還執導過不少潮語片和廈語片。王天林是一位多產導演，作品幾近二百部。

70年代初，粵語片盛極而衰，王天林曾賦閒一年多，沒有工作。至1973年，由鍾景輝推薦加入無綫電視任監製，製作了多齣民初劇和古裝劇集。由他監製的名劇包括《啼笑姻緣》、《書劍恩仇錄》、《楚留香》、《京華春夢》、《萬水千山總是情》等等，對香港本土電視劇的發展有深遠影響。他執導的最後一部影片是《懵佬，大賊，傻偵探》(1980)。其後偶然會在電影和電視劇中客串演出，2002年獲金紫荊終身成就獎。2010年11月16日晚上8時30分，於香港浸會醫院去世。跟他同樣多產的電影導演王晶，是他的兒子。