Friedrich Wilhelm (conosciuto come Willi) Baumeister nasce il 22 gennaio 1889 a Stuttgart, terzo figlio dopo Klara e Hans. Il padre, Wilhelm Baumeister (1847–1931), era maestro spazzacamino di corte; aveva studiato ingegneria meccanica al Politecnico di Stoccarda, ma ben presto farsi carico dell'attività familiare, di cui rappresentava la terza generazione. La madre di Willi, Anna, cognome da nubile Schuler (1861-1945), era figlia dello scenografo Friedrich Wilhelm Schuler.
Anna era molto dotata per la musica; è dalla famiglia materna Willi che riceve i primi stimoli artistici, accanto ad una grande disciplina ed abilità manuale. Sin dalla precoce età si diletta principalmente con carta e matita e a circa 16 anni prende la decisione di iscriversi all'Accademia di Belle Arti; tuttavia, per desiderio del padre segue dal 1905 al 1907 un corso di formazione professionale come scenografo, che grazie agli eccellenti risultati conclude in anticipo con l'esame di abilitazione.
Nel 1905-06, ancora durante il periodo di formazione, Willi Baumeister si iscrive alla Königliche Akademie (Regia Accademia), dove segue la classe di disegno di Robert Poetzelberger, oltre a frequentare lezioni private con il pittore Josef Kerschensteiner. Dall'ottobre 1907 al settembre 1908 svolge il servizio militare, quindi prosegue lo studio all'Accademia, frequentando fino al 1912 la classe di composizione di Adolf Hölzel; qui conosce Oskar Schlemmer (1888–1943) e Otto Meyer(-Amden) (1885–1933), con cui intratterrà un'amicizia destinata a durare per tutta la vita. .
I primi passi fuori da Stoccarda
Per informazioni sui suoi inizi artistici consultare il periodo di lavoro 1905-1918.Fotografia con cappello A Parigi nel 1911
Nella primavera del 1911 studia per tre mesi al Cercle International des Beaux-Arts di Parigi. Al suo ritorno apre il primo studio a Stoccarda, in Lessingstraße 3, quindi nel settembre 1912 si trasferisce per 15 mesi ad Amden. Nel 1913 partecipa per la prima volta ad una mostra presso la galleria Der Sturm di Berlino, mentre nel 1914 crea quattro decorazioni murali per l'esposizione del Werkbund a Colonia. Seguono viaggi ad Amsterdam, Londra e Parigi.
Servizio militare al fronte
Fotografia con elmetto Willi Baumeister soldato nei pressi di Tiflis, 1918
Dal novembre 1914 al dicembre 1918 Willi Baumeister viene chiamato al fronte, nei Balcani, in Ucraina e nel Caucaso. Anche durante gli anni del conflitto bellico riesce comunque a partecipare ad alcune mostre. A Vienna nel 1915 conosce Oskar Kokoschka e l'architetto Adolf Loos.
Inizio della carriera artistica
Al termine della Prima Guerra Mondiale prosegue gli studi presso l'Accademia di Belle Arti di Stoccarda, che conclude nel 1922. Sebbene la sua carriera artistica sia iniziata già nel 1913-14, il grande successo e il riconoscimento arriveranno solo dal 1919 al 1927.