Né le 15 avril 1710 à Hamilton, comté du Lanarkshire, WC Scotland, au Royaume Uni, Son père était avocat. Il était le second fils d'une famille de 7 garçons et 2 filles.
Il a reçu sa première instruction à l'école primaire (grammar school) de Hamilton, puis plus tard à l'Université de Glasgow, tout en étant attaché comme apprenti de John Paisley chirurgien à Glasgow, pour commencer sa carrière médicale. A la fin de l'année 1729 Cullen se rend à Londres pour se perfectionner. Là il fut introduit auprès d'un armateur afin d'être engagé comme chirurgien sur un navire marchand commerçant entre Londres et les Indes Occidentales. A son retour il fait un cours stage chez un apothicaire londonien.
Le décès de son frère ainé, au début de l'année 1732, l'oblige à retourner en Ecosse pour prendre soins de ses plus jeunes frères et sœurs. Il résida dans la paroisse de Shotts, proche d'Hamilton; il décide de se consacrer à ses étudies pendant deux ans, avant de se fixer comme praticien à Hamilton. Il alla étudié la médecine à Edimbourg entre 1734 et 1736, où il fut l'un des cofondateurs de la "Royal Medical Society".
En 1736 il commença à pratiquer à Hamilton où il acquiert rapidement une grande réputation en soignant le duc et la duchesse d'Hamilton. De 1737 à 1740 Cullen projette une association avec le Dr W. Hunter qui tourne court.
En 1740 Cullen obtint son doctorat en médecine à Glasgow.
Pendant son séjour à Hamilton, Cullen est élu magistrat en 1738 et 1739. Il se marie en novembre 1741 avec Miss Anna Johnstone, la fille d'un pasteur dont il eut de nombreux enfants. Il continue à travailler comme médecin à Hamilton pendant trois ans. A côté des taches difficiles de la pratique médicale, il trouva le temps d'étudier les sciences naturelles et particulièrement la chimie.
En venant s'installer à Glasgow en 1744 ou 1745 il semble s'être mis en rapport avec l'université dont l'école de médecine n'était pas bien organisée. Les cours d'anatomie et de médecine étaient assurés par deux professeurs qui ne donnaient pas de conférence. Il fut convenu que le Dr Cullen assurerait des conférences de botanique, de matière médicale et de chimie en anglais et non en latin comme le voulait la tradition. Ses grandes capacités, son enthousiasme et son pouvoir de conviction fit de lui un professeur très populaire auprès des étudiants qui étaient toujours nombreuxà assister à ses cours. En même temps il a poursuivi la pratique de sa profession. La chimie était le sujet qui semble avoir engagé la plus grande part de son attention. Il était lui-même un investigateur et un expérimentateur appliqué, et il a fait beaucoup pour encourager la recherche originale parmi ses élèves.
En 1751 il obtient la chaire de médecine à Glasgow mais continue ses conférences de chimie et en 1756 il est élu professeur de chimie à Edimbourg conjointement avec Andrew Palmer mais la mort de ce dernier laissa Cullen seul titulaire de cette chaire pendant dix ans et toujours avec le même succès d'audience.
Il continuait parallélement à pratiquer sa profession de façon toujours éminente, ce qui est le reflet de son autorité dans toutes les branches de la médecine.
A partir de 1757 il fit des conférences de médecine clinique à la "Royal Infirmary". C'était un travail pour lequel son expérience, ses habitudes d'observation, sa formation scientifique, sa popularité en tant que professeur, ainsi que sa pratique médicale, sont devenues plus que jamais remarquable. En 1761, à la demande des étudiants, il remplace Charles Alston décédé, il fait un nouveau cours de materia medica qui sera publié beacoup plus tard en 1789.
1766 voit l'élection de Cullen comme professeur de théorie en médecine
En 1773 Cullen abandonna la chimie et obtint après quelques péripéties la chaire de pratique de la physique qu'il poursuivit jusqu'à quelques mois avant sa mort qui survint le 5 février 1790
Son livre 
"First Lines of the Practice of Physic" (1776) s'est transformé en œuvre de référence pour plusieurs générations de médecins et d'étudiants.
Il a fait d'importantes observations sur le diabète: le patient se plaint de soif et pour cette raison ingère de grande quantité de liquides, bien que celle-ci soit inférieure à la quantité éliminée par l' urine, dont l'aspect est claire, mais, parfois, dans certaines circonstances particulières d'observation à la lumière, elle apparaît légèrement vert mat jaunâtre qui la ferait ressembler à la dissolution de miel dans une grande quantité d'eau. Cullen se demandait si la saveur douce des urines pouvait être pathognomonique du "diabète idiopatique" et distinguait deux variétés de diabète: l'un "sucré" et l'autre exceptionnel "insipide".
Malgrè l'observation de plusieurs cas de diabète desquels les signes communs étaient la podypsie et l'asthénie il n'arrivait pas à déterminer une cause précise; "Je ne peux trouver aucune caractéristique constante dans la majeure partie des cas que j'ai eu l'occasion d'observer" disait-il. Un défaut d'absorption des liquides, un "certain état de la bile" , enfin, le grand Cullen ne trouvait pas de cause rationnelle à l'origine de la maladie et il dut reconnaître la difficulté pour instaurer un traitement correct.
Il est grandement responsable de la reconnaissance de la part importante jouée par le système nerveux dans la santé et la maladie. Ainsi pour lui le tonus normal émane du système nerveux et subit des modifications sous l'influence des excitations externes.
Cullen a établi une clasiffication des maladies en quatre classes, selon les solides et les liquides altérés, selon le manque ou la pléthore:
- 1- Pyrexies, ou maladies fébriles, comme la fièvre typhique
- 2- Neuroses, ou maladies nerveuses, comme l'épilepsie
- 3-Cachexies, ou maladies résultant de mauvaise habitudes corporelles
-4 Locales, ou maladies locales comme le cancer.
Entrevue par Cullen (1776), affirmée par Bouillaud en 1835, l'autonomie du rhumatisme articulaire aigu a été très tôt admise.
Dans son ouvrage la "Matière Médicale", il écrit un chapitre sur le quinquina qui influença notamment la découverte du principe de similitude par Hahnemann, principe qui mena ce dernier à l'homéopathie.
En 1773 Cullen abandonna la chimie et obtint après quelques péripéties la chaire de pratique de la physique qu'il poursuivit jusqu'à quelques semaines avant son décès qui survint le 5 février 1790, il avait quatre vingts ans.
Ses ouvrages:
- "First Lines of the Practice of Physic" (1775)
- Edinburgh Philosophical and Literary Transactions
- "Synopsis Nosologiae Methodicae." deux volumes (1772 et 1780)
- Physiology (1785)
- Practice of physics (1787)
- Lectures on Materia Medica (1789)