Im Jahre 1856 legte er am Gymnasium in Paderborn das Abitur ab, und 1856-1859 studierte er Medizin und Mathematik in Göttingen. Er promovierte 1861 und habilitierte sich 1864 in Berlin. Bis 1883 war Waldeyer-Hartz als Professor für Anatomie an den Universitäten Breslau, Königsberg und Straßburg tätig. 1883 erhielt er eine Professur an der Universität Berlin und wurde Direktor des Anatomischen Institutes. An der Berliner Universität war er von 1898 bis 1899 Rektor. Besondere Verdienste erwarb er sich durch seine Forschungen über den Bau des Nervensystems. Obwohl 1916 geadelt, verzichtete er zeit seines Lebens auf den Gebrauch des "von".