Родился Бардин 23 мая 1908 в Мэдисоне (шт. Висконсин). Окончил Висконсинский университет (1928), получил степень доктора философии в Принстонском университете (1936). Работал в Гарвардском (1935–1938) и Миннесотском (1938–1941) университетах, в лабораториях компании «Белл-телефон» (1945–1951); с 1951 – профессор Иллинойсского университета. Основные работы посвящены физике твердого тела и физике низких температур. В 1948 открыл транзисторный эффект и создал первый полупроводниковый транзистор. В 1950 предсказал притяжение между электронами благодаря обмену виртуальными фононами и в 1952 попытался вычислить его величину. В 1957 создал теорию сверхпроводимости (теория Бардина – Купера – Шриффера) – способности некоторых материалов утрачивать сопротивление при очень низких температурах. Эта теория стимулировала теоретические и экспериментальные исследования в области сверхтекучести, ядерной физики и астрофизики.

Бардин был награжден медалью Ф.Лондона (1962), Национальной медалью за научные исследования (1965) и др. Умер Бардин в Бостоне 30 января 1991.