Родился в Сирии в семье миссионеров, в 1885 году вернулся в США. В 1898 году окончил Дартмутский колледж, после чего продолжил образование в Германии, в 1900—1901 учился в Мюнхенском университете у Шварцшильда и Зелигера. В 1901—1904 работал в Йеркской обсерватории, в 1904—1946 — в обсерватории Маунт-Вилсон, которую возглавлял с 1923 года. С 1946 до конца жизни работал в Солнечной лаборатории Хейла в Пасадене.
Вёл исследования планет, звёзд, Солнца и межвёздной среды. Совместно с Ч.Сент-Джоном и Т.Данхемом измерил количество водяного пара и кислорода в атмосфере Марса, а также обнаружил углекислый газ в атмосфере Венеры. Организовал обширные исследования определения лучевых скоростей и спектральных параллаксов звезд, совместно с сотрудниками обсерватории Маунт-Вилсон определил лучевые скорости более 7 тысяч звёзд и у нескольких тысяч звёзд определил их абсолютные звездные величины. В 1925 по просьбе Эддингтона исследовал спектр белого карлика Сириус В с целью обнаружения гравитационного красного смещения спектральных линий, предсказанного общей теорией относительности А.Эйнштейна. Доказал наличие тяжелых элементов (в частности, железа) в облаках межзвёздного вещества. Определил скорость вращения Солнца, изучал различия в спектре солнечных пятен и невозмущённого диска, совместно с Ресселом прокалибровал роуландовскую шкалу интенсивностей солнечного спектра.
В честь У. С. Адамса названы: