1927年秋考入延安第四中学，被推选为护校纠察队长。
1928年3月加入中国共产党，负责学校地下党支部文件、枪支的组织和保管工作。
1930年8月，先后被任命为党支部组织委员、游击队副班长。
1931年，在国民党甘军和陕军中从事兵运工作。
1932年，回陕甘游击队担任班长，参与创建了陕甘边革命根据地，并被推选为中国工农红军第26军第2团团长，组建照金地区游击队总指挥部。
1933年6月，保护刘志丹安全返回照金根据地。当年11月，任红26军42师3团团长。先后指挥攻打西华池、合水城、庆阳毛家沟门、马子川等战斗，参与创建南梁根据地。
1934年8月随谢子长率红3团北上开辟陕北根据地，在安定县（今子长县）建立第一个苏维埃政府。
1935年9月返回南梁根据地，在吴起县打垮地主张廷芝保安团，收编改造地方武装郭宝珊部，开辟并扩大庆北苏区，使陕甘和陕北根据地连成一片。
1935年春，在吴堡县藤家原战斗中，王世泰身负重伤，留下终身残疾。同年，先后任安定县军事部部长、游击队队长，参加领导攻打延安城战斗，并与中央红军和红十五军团会师。年底调任中华苏维埃共和国中央执行委员、中共陕北省委军事部副部长。
1937年8月，任陕甘宁边区庆环军分区司令员，清剿了环县境内土匪。
1938年5月后先后任陕甘宁边区保安司令部副司令员、司令员，参加大生产运动和民族统战工作。
1941年任西北局常委。
1942年1月在中央西北局高干会议上受到表彰，毛泽东主席为其亲笔题词“忠实、努力、不夸、不骄”。
1943年1月任三边分区地委书记兼留守兵团警备三旅政委。
1945年1月调任关中军分区司令员，同年9月，任陕甘宁晋绥五省联防军区代司令员。
1946年9月，指挥陕甘宁边区北线战役，参加合水、华池战斗，打垮胡宗南四十八旅，击毙旅长何奇。
1947年1月任西北野战军第4纵队司令员兼政委。
1948年先后任第一野战军第四军军长、第二兵团政委，在司令员彭德怀的领导下，率部参加宜瓦、关中、扶眉、兰州等战役。
1949年7月任甘肃行署主任，甘肃军区司令员兼党委书记、政委。同年8月出席第一届中国人民政治协商会议，10月1日参加开国大典。
1949年11月任甘肃行署主任，负责剿匪、建政，筹备甘肃省人民政府。
1950年1月任中共甘肃省委副书记，省人民政府第一副主席、党组书记，省军区司令员，西北军政委员会委员。
1951年任西北铁路干线工程局局长兼政委。
1952年8月任铁道部副部长。
1954年任国家建设委员会副主任、党组副书记，参与组织国家第一个五年计划的156项重点工程的建设工作。
1958年3月调任国家计划委员会副主任；11月，任西北协作区委会副主任。
1961年调任中共甘肃省委书记处书记、省政协主席。“文革”期间受到迫害，被迫停止工作8年之久。
1974年经周恩来总理提名增补为第四届全国人民代表，并当选为全国人大委员会委员。
1975年1月恢复工作，任甘肃省革委会副主任。
1977年8月任甘肃省政协主席、省委常委。
1979年12月当选甘肃省第五届人大常委会主任。
1997年离休。
2008年3月在海口病逝。
