Родился в семье купца 1 апреля 1578 года.
В 1588 году поступил в Королевскую школу в Кентербери, где изучал латынь. В мае 1593 был принят в Королевский колледж Кембриджского университета, в том же году получил стипендию по медицине, учрежденную в 1572 году архиепископом Кентерберийским. Первые три года учёбы Гарвей посвятил изучению «дисциплин, полезных для врача» - классических языков (латыни и древнегреческого), риторики, философии и математики. Особенно его интересовала философия; из всех последующих сочинений Гарвея видно, что огромное влияние на его развитие как учёного оказала натурфилософия Аристотеля. Следующие три года Гарвей изучал дисциплины, непосредственно относящиеся к медицине. В то время в Кембридже это изучение сводилось в основном к чтению и обсуждению произведений Гиппократа, Галена и других древних авторов. Иногда устраивались анатомические демонстрации; преподаватель естественных наук обязан был делать это каждую зиму, а Королевский колледж имел разрешение проводить два раза в год вскрытия тел казнённых преступников. В 1597 году Гарвей получил звание бакалавра, а в октябре 1599 покинул Кембридж: по обычаю школяров того времени он отправился в пятилетнее путешествие.
Точная дата его первого посещения Падуи неизвестна, но в 1600 году он уже занимал выборную должность «старосты» - представителя английских студентов в Падуанском университете. Медицинская школа в Падуе была в то время на вершине славы. Анатомические исследования процветали благодаря Джироламо Фабрицио д‘Аквапенденте, который занимал вначале кафедру хирургии, а затем кафедры анатомии и эмбриологии. Фабрицио был учеником и последователем Г. Фаллопия.
Когда Гарвей прибыл в Падую, Фабрицио был уже пожилым человеком, большинство его трудов было написано, хотя не все были опубликованы. Самое значительное его сочинение, «О венозных клапанах» (De venarum osteolis), вышло в свет в первый год пребывания Гарвея в Падуе, но Фабрицио демонстрировал студентам эти клапаны ещё в 1578 году. Хотя учёный сам показал, что входы в них всегда открыты в направлении сердца, он не увидел в этом факте связи с кровообращением. Сочинение Фабрицио оказало несомненное влияние на Гарвея, как и его книги «О зрелом плоде» (De formato foetu, 1604) и «О развитии яйца и цыпленка» (De formatione ovi et pulli, 1619).
Среди падуанских учителей Гарвея был также Джулио Кассерио.
25 апреля 1602 года Гарвей завершил образование, получил степень доктора медицины и вернулся в Лондон. Степень была признана Кембриджским университетом, но это ещё не означало, что он может заниматься врачебной практикой. Лицензия выдавалась Коллегией врачей, куда Гарвей и обратился в 1603 году. Он держал экзамены весной того же года и «поскольку вполне удовлетворительно ответил на все вопросы», то был допущен к практике до следующего экзамена, который должен был состояться через год. Трижды представал Гарвей перед экзаменаторами и 5 октября 1604 года был принят в члены Коллегии. В 1607 стал действительным членом Коллегии врачей, а два года спустя обратился с ходатайством о зачислении его врачом в больницу Св. Варфоломея. Работа в этой больнице считалась очень престижной для практикующего врача, поэтому Гарвей подкрепил свою просьбу письмами президента Коллегии и других её членов и даже самого короля. Руководство больницы согласилось принять его на эту должность, как только освободится место. 14 октября 1609 года Гарвей был официально зачислен в штат. В его обязанности входило посещение больницы не менее двух раз в неделю, осмотр больных и назначение лекарств. Иногда больных посылали к нему на дом. В течение двадцати лет Гарвей исполнял обязанности врача больницы несмотря на то, что его частная практика в Лондоне постоянно расширялась. Кроме того, он работал в Коллегии врачей и проводил собственные экспериментальные исследования.
В 1613 Гарвей был избран смотрителем Коллегии врачей, а два года спустя стал лектором Ламлианских чтений. Эти чтения были учреждены в 1581 лордом Ламли с целью повышения уровня медицинского образования в Лондоне. В то время все образование сводилось к присутствию на публичных вскрытиях тел казненных преступников, которые четыре раза в год устраивали Коллегия врачей и Общество цирюльников-хирургов. На Ламлианских чтениях лектор должен был читать часовую лекцию два раза в неделю в течение всего года, чтобы за шесть лет студенты прошли полный курс анатомии, хирургии и медицины. Гарвей исполнял эту обязанность в течение сорока одного года. Параллельно он читал лекции по анатомии в Коллегии; рукопись его заметок к лекциям от 16, 17 и 18 апреля 1616 года под названием «Конспекты к лекциям по общей анатомии» (Prelectiones Anatomiae Universalis) хранится в Британском музее.
В 1628 году во Франкфурте был опубликован труд Гарвея «Анатомическое исследование о движении сердца и крови у животных» (Exercitatio anatomica de motu cordis et sanguinis in animalibus). В нём он впервые сформулировал свою теорию кровообращения и привел экспериментальные доказательства в ее пользу. Измерив величину систолического объема, частоту сокращений сердца и общее количество крови в теле овцы, Гарвей доказал, что за 2 минуты вся кровь должна пройти через сердце, а в течение 30 минут через него проходит количество крови, равное весу животного. Отсюда следовало, что, вопреки утверждениям Галена о поступлении к сердцу все новых и новых порций крови от вырабатывающих ее органов, кровь возвращается к сердцу по замкнутому циклу. Замкнутость же цикла обеспечивают мельчайшие трубочки - капилляры, соединяющие артерии и вены.
Открытие Гарвея было встречено шквалом критики учёных, придерживавшихся взглядов Аристотеля и Галена о том, что кровь образуется в печени из пищи и движется по венам, слепо заканчивающимся в органах. Тем не менее, открытие кровообращения Гарвеем было признано учеными (Декарт, Шлегель, Пеке и др.) ещё при его жизни.
В начале 1631 Гарвей стал лейб-медиком короля Карла I. Заинтересовавшись исследованиями Гарвея, Карл предоставил в его распоряжение королевские охотничьи угодья в Виндзоре и Хэмптон-Корте для проведения экспериментов. В мае 1633 Гарвей сопровождал Карла I во время его визита в Шотландию. Возможно, именно во время пребывания двора в Эдинбурге Гарвей посетил Басс-Рок, место гнездования бакланов и других диких птиц. В то время его интересовала проблема эмбрионального развития птиц и млекопитающих.
После сражения при Эджхилле в 1642 во время гражданской войны в Англии Гарвей последовал за королём в Оксфорд. Здесь он возобновил врачебную практику и продолжил наблюдения и эксперименты. В 1645 король назначил Гарвея деканом Мертон-колледжа. В июне 1646 Оксфорд был осажден и взят сторонниками Кромвеля, и Гарвей вернулся в Лондон. О его занятиях и обстоятельствах жизни в течение нескольких последующих лет известно мало. В 1646 Гарвей издал в Кембридже два анатомических очерка «Исследования кровообращения» (Exercitationes duae de circulatione sanguinis), а в 1651 вышел его второй фундаментальный труд - «Исследования о зарождении животных» (Exercitationes de generatione animalium). В нём обобщались результаты многолетних исследований Гарвея, касающихся эмбрионального развития беспозвоночных и позвоночных животных, была сформулирована теория эпигенеза. Гарвей утверждал, что яйцо есть общее первоначало всех животных и всё живое происходит из яйца. Исследования Гарвея по эмбриологии послужили мощным стимулом к развитию теоретического и практического акушерства.
С 1654 Гарвей жил в доме своего брата в Лондоне или в предместье Рохамптон. Был избран президентом Коллегии врачей, однако отказался от этой почетной должности, сославшись на преклонный возраст.