Willem Witsen wuchs an der Prinsengracht und Westeinde in Amsterdam auf. Von 1876 bis 1884 nahm er Zeichenunterricht an der Rijksakademie van Beeldende Kunsten in dieser Stadt. Dort freundete er sich mit Malern wie Willem Tholen, Jacobus van Looy, Jan Veth, Eduard Karsen und Jan Toorop an, später auch mit George Breitner und Isaac Israels. Nach einem Aufenthalt in London von 1888 bis 1891, wo er Whistlers Werk kennenlernte, begann Witsen, verträumte, ruhige Stadtlandschaften in dunkler Farbe zu malen. Diese Stadtansichten, die die Stimmung und zeitlose Schönheit der Stadt einfangen, sind der Höhepunkt seines Schaffens. Im Gegensatz zu den geschäftigen Stadteindrücken von Breitner und Israels sah Witsen Amsterdam als ein Denkmal zeitloser Schönheit. Witsen war wie Breitner Fotograf, was seine besondere Art des Aussehens erklärt. Nach 1910 malte er viele seiner Amsterdamer Stadtansichten vom Wasser aus. Er hatte am Montelbaanstoren einen Lastkahn mit einer Verwaltungshütte, der als schwimmendes Atelier diente. Ab 1911 tauschte er es gegen eine Decksbarke mit einer Hütte ein, die er an Orte verlegt hatte, an denen er arbeiten wollte.
Witsen, der zu den Tachtigers gehörte – einer in den 1880er Jahren aktiven Künstlergruppe – arbeitete bis 1884 oft in Ewijckshoeve, dem Familienhaus in der Nähe von Lage Vuursche. Seine Amsterdamer Freunde, junge, ehrgeizige Künstler, die sich als große Erneuerer in Kunst und Literatur betrachteten, waren dort immer willkommen. Aber es war auch ein Ort, an dem Witsen der Dynamik der Großstadt entfliehen und sich ungestört auf die Natur konzentrieren konnte. Ab April 1887 kehrte er nach Amsterdam zurück und nutzte einige Monate lang das Atelier seines Freundes George Breitner in der Oude Schans 5 in Amsterdam mit Blick auf den Montelbaanstoren.
1893 heiratete Witsen die Dichterin und Schriftstellerin Betsy van Vloten, die er durch ihren Schwager Frederik van Eeden kennengelernt hatte. Sie zogen nach Ede, wo sie drei Söhne bekamen. Die Ehe wurde jedoch 1902 geschieden und fünf Jahre später heiratete Witsen Marie Schorr. Er ließ sich wieder mit ihr in Amsterdam im Oosterpark 82 nieder, dem Haus, in dem er früher mit Breitner und Isaac Israels ein Atelier hatte, das das Paar ab 1906 jedoch gemeinsam bewohnte und das als Witsenhuis bekannt wurde. Witsen wurde ein gefragter Porträtmaler und begann auch mit der Malerei von Stillleben. Mit seiner Frau unternahm er zahlreiche Reisen nicht nur innerhalb Europas, sondern auch nach Übersee, nach San Francisco und Kanada sowie 1921/1922 nach Niederländisch-Ostindien. Kurz darauf, 1923, starb Witsen an den Folgen einer Atemwegsinfektion in Amsterdam.
Witsen war nicht nur Maler und Radierer, 1885 gründete er zusammen mit zwei Kunstliebhabern den Dutch Etching Club, sondern auch Fotograf. Dieses Interesse entstand während seines Aufenthalts in London ab Ende 1888. Die von ihm aufgenommenen Fotografien nutzte er teilweise auch für Gemälde in seinem Atelier, was den niedrigen Aussichtspunkt und die abgeschnittenen Gebäude in seinem Werk erklärt. Witsen fotografierte auch oft seine Künstlerfreunde und Familie in den unterschiedlichsten Stimmungen. Auf seinen Reisen durch Europa nahm er stets seine Kamera mit und obwohl er keine Ausbildung als Fotograf hatte, verfolgte er seinen eigenen Ansatz, bei dem ihm starke Hell-Dunkel-Kontraste wichtig waren.