Виллем де Ситтер родился 6 мая 1872 года в Снеке (Нидерланды). Окончил Гронингенский университет. После учебы работал в астрономической лаборатории, сначала математиком-вычислителем на обсерватории мыса Доброй Надежды, затем ассистентом Астрономической лаборатории в Гронингене. В 1908 году его назначают профессором астрономии Лейденского университета.

Более 30 лет Ситтер изучал спутники Юпитера. Проанализировав данные о движении спутников Юпитера, полученные им самим и другими астрономами на мысе Доброй Надежды, он создал новую теорию их движения, которая учитывала возмущающие факторы разной природы. Эта теория используется и в настоящее время для расчета движения спутников Юпитера.

Также он изучал неравномерность движения Земли. Он смог объяснить замедление ее вращения приливным трением. В 1916 году он представил свои работы по теории относительности Лондонскому королевскому обществу, и они привлекли внимание научного мира к общей теории относительности Эйнштейна.

Ситтер читал лекции в США в Калифорнийском университете. Они были изданы с дополнениями в 1933 году.

Виллем де Ситтер умер 20 ноября 1934 года.