W 1947 rozpoczął studia filozoficzne i teologiczne na Uniwersytecie Humboldtów w Berlinie. W latach 1948–1949 studiował na Uniwersytecie w Getyndze u Nicolaia Hartmanna, następnie na Uniwersytecie Bazylejskim u Karla Bartha i Karla Jaspersa, a od 1951 na Uniwersytecie w Heidelbergu, gdzie studiował teologię pod kierunkiem Karla Löwitha i uczęszczał na wykłady teologiczne Günthera Bornkamma, Petera Brunnera i Gerharda von Rada. Tam w 1953 obronił pracę doktorską poświęconą nauce Dunsa Szkota o predestynacji, napisaną pod kierunkiem Edmunda Schlinka, a dwa lata później habilitował się na podstawie rozprawy o roli analogii w teologii zachodniej.
Od 1955 Pannenberg wykładał na heidelberskiej uczelni. W latach 1958–1961 był profesorem teologii systematycznej w Kirchlichen Hochschule w Wuppertalu, gdzie wykładał też Jürgen Moltmann. Następnie, w latach 1961–1968, pracował na Uniwersytecie w Moguncji. W 1968 objął posadę na nowo założonym Wydziale Teologii Ewangelickiej Uniwersytetu w Monachium, gdzie był też dyrektorem Instytutu Teologii Ekumenicznej i Fundamentalnej. Wykładał jako profesor wizytujący na Uniwersytecie w Chicago (1963), Uniwersytecie Harvarda (1966) i w Claremont School of Theology (1967).