Bateson wurde in Whitby im britischen Yorkshire als Sohn eines Hochschullehres für klassische Sprachen geboren und studierte in Cambridge am Saint John's College. Er verließ dieses College als begeisterter Evolutionsforscher und unternahm zunächst anatomische und morphologische Untersuchnungen, um den Vorgang der Evolution zu verstehen. Er führte eine wichtige Arbeit über die Phylogenese von Eichelwürmern (Balanoglossus) durch und erkannte die stammesgeschichtliche Ableitung der Chordatiere von wurmähnlichen Vorfahren. Bateson beobachtete, dass sich Organismen normalerweise sehr deutlich voneinander unterscheiden und bestimmte Eigenschaften von Lebewesen plötzlich in der Stammesgeschichte auftauchen und wieder verschwinden. Wie ihm ebenfalls aufgefallen war, konnten sich solche Veränderungen von einer Generation zur nächsten einstellen. Bateson schloss daraus, Evolution laufe meistens in großen, nicht zusammenhängenden Sprüngen ab, statt kontinuierlich fortzuschreiten. Er veröffentlichte seine Überlegungen und Fakten, mit denen er diese stützte, 1894 in Materials for the Study of Variation.

Auf der Suche nach weiteren Belegen für seine Theorien begann Bateson, die Vererbung von Merkmalen zu untersuchen. Im Jahr 1900 stieß er im Zusammenhang mit seinen Untersuchungen auf eine Arbeit aus dem 19. Jahrhundert, die von dem österreichischen Mönch Gregor Mendel stammte. Mendel beschrieb Experimente, die er mit Bohnenpflanzen durchgeführt hatte. Bateson stellte fest, dass Mendels Arbeiten einige seiner eigenen Beobachtungen bestätigten. Er wurde somit einer der frühesten Verfechter der Mendel'schen Vererbungslehre und führte eigene Experimente durch, die Mendels Werk ergänzten. Batesons Theorie über diskontinuierliche Evolutionsabläufe gilt heute allerdings nicht mehr als exaktes Modell. Durch seine Wiederentdeckung der Arbeiten Mendels und durch seine eigenen Experimente wurde Bateson zum Wegbereiter des rasanten Fortschritts der Genetik im 20. Jahrhundert.

1908 wurde er Professor für Genetik in Cambridge, 1910 gründete er die Zeitschrift Journal of Genetics, 1910 wurde er zum Direktor der J. Innes Horticultural Institution.

Bateson war ein Gegenspieler der Biometrik. Als Mendelianer vertrat er die Theorie der diskontinuierlichen Evolution, wogegen die Biometriker als Anhänger der Darwinschen Evolution die kontinuierliche Entwicklung, bestimmt durch die natürliche Auslese von kleinen Variationen, vertraten). 

Bateson wurde 1910 zum Direktor der John Innes Horticultural Institution ernannt, und 1922 wurde er Kurator im Britischen Museum. Beide Positionen hatte er bis zu seinem Tod inne. Er starb 1926 in Merton bei London.

Hauptwerke

• Materials for the Study of Variation (1894)
• Mendel's Principles of Heredity: A Defence (1902)
• Problems of Genetics (1913)