Wineland cursó sus estudios secundarios en el Instituto Encina de Sacramento, California, en 1961.
[3] Obtuvo su licenciatura en Física en la Universidad de California, Berkeley en 1965 y finalizó su doctorado en 1970, trabajando con Norman Foster Ramsey Jr., en la Universidad de Harvard, desarrollando una tesis doctoral titulada "El máser atómico de deuterio".
David Wineland trabaja actualmente en la Universidad de Colorado, y ha desarrollado investigaciones fundamentales sobre la interacción entre la luz y la materia.
UU. Ha ganado el Premio Nobel 2012 de Física, siendo el cuarto premio Nobel en física adscrito al NIST en los últimos 15 años.
Wineland compartió el premio con Serge Haroche del Collège de France y la École Normale Supérieure de París, Francia, "por los métodos experimentales innovadores que permiten la medición y manipulación de sistemas cuánticos individuales".