1943年3月7日，王天然出生于黑龙江省海伦县。
1965年10月，加入中国共产党，成为党员。
1962年9月—1967年8月，在哈尔滨工业大学自动控制系读计算机专业。
1970年1月—1989年9月，在中国科学院沈阳自动化研究所工作。
1982年8月—1985年1月，美国卡耐基-梅隆大学计算机系作访问学者。
1989年9月—1994年8月，在中国科学院沈阳自动化研究所担任副所长。
1994年8月—2003年1月，在中国科学院沈阳自动化研究所担任所长。
2003年—，仍在中国科学院沈阳自动化研究所工作，并于同年当选为中国工程院院士。
王天然身兼北京邮电大学自动化学院院长、机器人技术国家工程研究中心主任、辽宁省科学技术协会主席、中国自动化学会副理事长、辽宁省自动化学会理事长、第九、十届全国人民代表大会代表等职务。
王天然院士是中国机器人和自动化工程技术界的学科带头人之一。（北京邮电大学评）
王天然院士领导建设先进制造技术研究发展基地，组织实施多项国家级大型科研项目，取得一批具有自主知识产权的技术成果，尤其是在工业机器人关键技术攻关及推进中国机器人技术产业化方面做出了突出成绩。（中国科学院沈阳自动化研究所评）