Willem de Sitter est le fils d'un juge, président de la cour à Arnhem aux Pays-Bas. Il fait ses premières années d'études dans cette ville. Il s'inscrit plus tard à l'Université de Groningen, en physique mathématique, où il prépare un doctorat. De 1897 à 1899, il travaille à l'Observatoire royal de Capetown, en Afrique du Sud, avec David Gill. Puis, il revient à Groningen où il travaille avec Kapteyn jusqu'en 1908. Cette années-là, il est nommé professeur à l'Université de Leiden et, de 1919 jusqu'à sa mort, il sera directeur de l'Observatoire de Leiden.

L'un des premiers à s'intéresser à la relativité générale d'Einstein, il en comprend mieux que quiconque les implications cosmologiques. C'est en partie grâce à lui si l'expédition anglaise de 1919, visant à vérifier la relativité, peut avoir lieu. Il entreprend de répandre la théorie dans les milieux scientifiques, principalement par la parution de trois articles sur " La théorie de la gravitation d'Einstein et ses conséquences astronomiques ", parus en 1916 et en 1917. C'est dans le troisième article qu'il introduit ce qui deviendra " l'univers de de Sitter ". Selon de Sitter, la relativité générale peut servir à montrer que l'univers est en expansion ; Einstein prédisait, au contraire, un univers statique. Suite à l'interprétation que donne Hubble des spectres des galaxies lointaines, Einstein se range du côté de de Sitter. Les travaux ultérieurs de de Sitter, joints à ceux de Lemaître, d'Eddington et de Gamow ont donné naissance à la cosmologie moderne.