Weizmann nació el 27 de noviembre de 1874, en Motil (actualmente Bielorrusia), y estudió en Alemania y Suiza, en las universidades de Berlín y Friburgo. Fue profesor de química en la Universidad de Ginebra en 1901 y profesor adjunto en bioquímica en la Universidad de Manchester en 1904. En 1910 se hizo ciudadano británico. Mientras fue director de los laboratorios del Almirantazgo Británico (1916-1919), fue responsable del descubrimiento y desarrollo de un método para sintetizar acetona, utilizada en la fabricación de explosivos.

Desde temprana edad Jaim (o Chaim) Weizmann reveló un gran interés por el sionismo. A los 18 años comenzó a estudiar bioquímica en Alemania, destacándose en sus estudios. Fue profesor en la Universidad de Ginebra y en Manchester. Siendo estudiante recibió la influencia de Ajad Haam y más tarde de Theodoro Herzl.

Weizmann disentía con el sionismo político, apoyando en cambio la tendencia que sostenía que era necesario establecer una infraestructura de instituciones culturales en Éretz Israel para demostrar que el pueblo judío era acreedor a una vida independiente en su propio país. En 1901 fundó junto con Martín Buber y Leo Motzkin la Fracción Democrática, que criticó al liderazgo del movimiento sionista. Fue uno de los principales opositores al Plan Uganda. A partir de 1907 lideró el sionismo sintético, que sostenía que "el trabajo realizador en Éretz Israel constituye el medio para lograr el objetivo político".

Su rol en la obtención de la Declaración Balfour (1917) fue decisivo, ya que poseía buenas relaciones en Gran Bretaña debido a su renombre internacional como bioquímico y especialmente por sus innovaciones en la producción de explosivos durante la Primera Guerra Mundial.

Ya en 1902 Jaim Weizmann participó en el proyecto de fundar una universidad judía. En 1918 al viajar a Éretz Israel encabezando al Consejo de Representantes, colocó la piedra fundamental de la Universidad Hebrea de Jerusalén en el Monte Scopus. En ese mismo año, el Emir Feisal le prometió por escrito que habría de otorgar su reconocimiento al movimiento sionista si a su vez los árabes lograban su independencia en Siria e Irak.

Weizmann encabezó la delegación sionista a la Conferencia de Versailles, que aprobó el

Mandato británico sobre Éretz Israel. En 1920 participó en la Conferencia de San Remo para lograr la aprobación de la Declaración Balfour. Actuó como presidente de la Organización Sionista durante 1920-1931 y 1945-1946, que actuó como fuerza de equilibrio entre aquellos que querían un cumplimiento inmediato de la declaración Balfour y los británicos y árabes, que se resistían a cualquier maniobra de este tipo.

En 1925 inauguró la Universidad Hebrea de Jerusalén, y desde 1929 hasta 1931 y a partir de 1935 hasta 1946 fue presidente de la Agencia Judía para Palestina, un organismo representativo de los intereses judíos en la zona bajo las preceptivas autoridades británicas; de este modo ejerció alguna autoridad política sobre los residentes judíos de Palestina.

En 1931 como consecuencia de la publicación del Libro Blanco de Lord Passfield, surgió una oposición a la línea pro-británica, y Weizmann fue reemplazado por Najum Sókolov en la presidencia de la Organización Sionista. Weizmann retornó a su labor científica y fundó el Instituto Sieff en Rejovot, que luego se convertiría en el Instituto Cientifico Weizmann.

Weizmann se trasladó a Palestina en 1934 y trabajó como director del Instituto de Investigación Daniel Sieff de Rehovot y como presidente de la Universidad Hebrea de Jerusalén. Durante la II Guerra Mundial, fue asesor honorario del Ministerio de Suministros británico, Asistente del Instituto Pasteur de París en Bacteriología y Microbiología y participó en la creación de la Brigada Judía.

En 1941 viajó a los Estados Unidos con el objetivo de consolidar una estrategia política clara, que fue determinada en el Programa Biltmore, el cual exigía la creación de un estado judío en Éretz Israel. La línea moderada de Weizmann no fue aceptada, por lo que renunció a la presidencia de la Organización Sionista, si bien se adhirió a la lucha por el estado judío. En 1947 obtuvo el apoyo del Presidente de los Estados Unidos, Harry Truman, a la posición judía.

Cuando se constituyó el Estado de Israel (1948), Jaim Weizmann fue electo Presidente.
El Instituto Weizmann de Ciencia, que incorporaba al Instituto Sieff, fue fundado en Rehovot en 1949 y Weizmann fue nombrado su director. Sus investigaciones en este instituto, principalmente en agronomía, mejoraron la producción de cosechas, la gestión del suelo y el desarrollo de alimentos proteínicos. En 1949 se publicó su autobiografía.

Falleció en 1952 y fue sepultado en el jardín de su residencia en Rejovot, en el Instituto por él fundado.