Willem Levelt ist Psycholinguist und einer der einflussreichsten Forscher zur menschlichen  Sprachproduktion. Er beschrieb erstmals umfassend die kognitiven Prozesse, die für den Akt des Sprechens konstitutiv sind, und welche Bedeutung dabei dem „mentalen Lexikon“ zukommt.

Levelt studierte Psychologie in Leiden, wo er 1965 mit einer Doktorarbeit "On binocular rivalry" promoviert wurde. Anschließend ging er für ein Jahr als Postdoktorand an das Harvard Center for Cognitive Studies. Von 1966 bis 1967 war er Gastprofessor an der Universität von Illinois, Champaign-Urbana. 1967 folgte seine Berufung als Professor für experimentelle Psychologie an die Universität Groningen, wo er bis 1971 tätig war. 1971 bis 1972 war er Mitglied am Institute for Advanced Study in Princeton, wo er sein dreiteiliges Werk "Formal grammars in linguistics and psycholinguistics" schrieb. Von 1972 bis 1980 war er Professor für experimentelle Psychologie und anschließend, bis 2006, für Psycholinguistik an der Radboud Universiteit in Nijmegen.

1980 wurde Levelt zum Gründungsdirektor des Max-Planck-Instituts für Psycholinguistik in Nijmegen ernannt. Seine Abteilung beschäftigte sich schwerpunktmäßig mit der experimentellen Erforschung des menschlichen Sprachprozesses. 1989 erschien sein Buch "Speaking. From intention to articulation." Nach seiner Emeritierung 2006 verőffentlichte Levelt sein Buch “A history of psycholinguistics. The pre-Chomskian era” (2012) und seine Autobiographie “On becoming a physicist of mind” (2020)

Levelt ist Mitglied zahlreicher Akademien, darunter die National Academy of Sciences, die American Philosophical Society, die Leopoldina und die Bayerische Akademie der Wissenschaften. Von 2002 bis 2005 war er Präsident der Königlich Niederländischen Akademie der Wissenschaften. Levelt erhielt Ehrendoktorate der Universitäten Maastricht, Antwerpen, Padua und Leuven.

2012 erhielt er das Bundesverdienstkreuz mit Stern.