Antes de actuar en Hogan's Heroes, Klemperer fue en dos ocasiones Hugo en la serie televisiva How to Marry a Millionaire (1957–1959), con Barbara Eden y Merry Anders.

Sin embargo, es conocido principalmente por ser el Coronel Wilhelm Klink, comandante del Stalag 13 en el show Hogan's Heroes, emitido entre 1965 y 1971.

Fue en el plató de Hogan's Heroes donde conoció a su segunda esposa, la actriz Louise Troy, que trabajaba como artista invitada.

En 1968 interpretó a un inútil oficial de Alemania del Este en la comedia The Wicked Dreams of Paula Schultz, dirigida por George Marshall y protagonizada por Elke Sommer y varios de sus compañeros en Hogan's Heroes, entre ellos Bob Crane.

Werner Klemperer tuvo dos hijos, Mark y Erika, fruto de su primer matrimonio con Susan Dempsey.

En 1997 se casó con su tercera esposa, la actriz televisiva Kim Hamilton, con la que había vivido varios años.