1848년 오타와 교구의 주교였던 조제프 브뤼노 기그(Joseph-Bruno Guigues)에 의해 설립된 로마가톨릭계 바이타운 대학(College of Bytown)에서 출발했다. 처음에는 남학생을 대상으로 전통적인 교양과목을 가르쳤다. 1856년 현재의 위치로 캠퍼스를 이전했다. 1861년 오타와 대학(College of Ottawa)으로 이름을 바꾸었으며, 1866년 영국 왕실의 칙허를 받아 종합대학인 오타와 대학교로 승격되었다.
1872년 처음으로 학사학위를 수여했다. 1875년 석사학위를 수여하기 시작했으며, 1888년 박사학위를 수여하기 시작했다. 1919년 여학생의 입학이 허용되었다. 1965년 조직을 개편해 가톨릭계 대학에서 종교와 무관한 대학으로 전환되었으며, 온타리오 주정부로부터 재정지원을 받기 시작했다. 이 대학은 19세기부터 영어와 프랑스어의 2개 언어로 교육하고 있으며, 북아메리카에서 2개 언어를 사용하는 대학 가운데 가장 규모가 크다. 캐나다에서 연구를 선도하는 15개 대학으로 구성된 U15에 속해 있다.
현재 학예대학, 법학대학, 경영대학, 사회과학대학, 교육대학, 과학대학, 공학대학, 보건대학, 의학대학과 대학원으로 구성되어 있다. 300개 이상의 분야에서 학사학위를 수여하고, 160개 이상의 분야에서 석사 및 박사학위를 수여한다. 오타와에 있는 가톨릭계 세인트폴 대학교가 이 대학에 연계되어 있다.
2010년 기준으로 약 3만 7,900명의 학생들이 재학하고 있다. 대학 재학생 수는 3만 2,630명이고, 대학원 재학생 수는 5,230명이다. 부속기관 및 시설로 도서관, 출판부, 대학신문사, 라디오방송국, 기숙사 등이 있다. 그리고 부설연구소로 국제정책연구소, 캐나다연구소, 환경연구소, 범죄예방연구소, 심장연구소 등이 있다.
2011년 영국의 대학평가기관인 QS(Quacquarelli Symonds)가 발표한 세계 대학 순위에서 256위를 차지했다. 캠퍼스는 캐나다 온타리오 주 오타와의 도심 근처에 있으며, 캠퍼스 면적은 0캐나다 온타리오 주 남서부의 소도시 워털루에 있는 공립 종합대학이다. 응용 보건학, 예술, 공학, 환경, 수학, 과학 분야의 교육 및 연구 프로그램이 주목 받고 있다. 북미 지역에서 최초로 수학 단과대학을 개설했으며, 세계 최고의 코업 프로그램(co-operative program)을 운영하고 있다. 코업 프로그램은 교육 프로그램 내에 인턴십(internship)이 포함되어 있는 것을 말한다.
1957년 1월 제럴드 헤이기(Gerald Hagey) 박사와 아이러 니들스(Ira Needles) 박사가 세운 응용 과학 중심의 워털루 대학 연합학부(Waterloo College Associate Faculties)로 출발했다. 당시 헤이기 박사는 루터파 소속 워털루 대학(Waterloo College)의 교장으로 재직했다. 제2차 세계대전 후 기술자 교육 프로그램이 필요하다고 느낀 온타리오 주 키치너-워털루(Kitchener-Waterloo) 지역의 사업가들로부터 지원을 받아 학교를 세웠다. 헤이기 박사는 교실 안에서의 교육을 탈피하여 학생들이 일정기간 산업체에서 돈을 받고 실무를 익힐 수 있는 코업 프로그램을 시행했다. 1960년 워털루 대학 연합학부는 워털루 대학교(University of Waterloo)로 승격되었다. 학교는 워털루 외곽 지역에 95만 ㎡ 크기의 토지를 매입하여 새 컴퍼스를 조성하였다. 1958년 화학공학·화학과 건물이, 1962년에는 미술대학 건물이 완공되었다. 1967년 원래 미술대학에 속했던 수학과를 독립시켜 캐나다 최초의 수학단과대학을 세웠다.
워털루 대학교는 응용보건학부, 예술학부, 공학부, 환경학부, 수학부, 과학부 등 6개 학부로 구성되어 있다. 그 외에 공공보건·보건시스템대학, 회계·금융대학, 사회사업대학, 환경·기업·개발대학, 약학대학, 검안학대학 등 10개의 단과대학이 있다. 전공과목으로 운동과학과, 레크레이션·여가연구, 경제학, 동아시아연구, 파인 아트(순수예술), 영어학·영문학, 역사, 음악, 철학, 정치과학, 심리학, 성·결혼·가족 연구, 사회개발연구, 여성연구, 건축 분야 등의 학과가 개설되어 있다. 부속기관으로 콘택트렌즈연구센터, 중합체연구소, 위험연구소 등이 있다. 여성연구학과는 현대 여성들의 삶에 영향을 미치는 중요 요소에 대해 연구하는 학과이다. 성·결혼·가족연구학과에서는 성, 출산, 인간관계의 분야에서 학제간 연구(Interdisciplinarity: 어떤 대상을 연구할 때 서로 다른 여러 학문 분야에 걸쳐 제휴하여 참여하는 연구)를 시행하고 있다. 1969년 신설된 독립연구(Independent Studies) 프로그램은 캐나다에서는 유일한 학과로, 학교가 추천하는 100가지 주제 가운데 학생 자신이 연구 주제를 선택할 수 있다.
워털루에 위치한 메인 캠퍼스 외에 건축대학이 있는 케임브리지 캠퍼스, 2008년 약학대학이 세워진 키치너(Kitchener) 캠퍼스가 있다. 캐나다 첨단지식 산업체들의 산실 역할을 수행하고 있는 워털루 대학교 및 워털루 지역은 오래 전부터 북쪽의 실리콘밸리(Silicon Valley of the North)로 불리고 있다. 영국의 일간지 <더 타임스(The Times)>가 매년 발표하는 세계 대학 순위(Times Higher Education World University Rankings)에서 2011년 워털루 대학교는 91위~100위 사이로 선정되었다. ACM 국제 대학생 프로그램 콘테스트(ACM International Collegiate Programming Contest)에서 이 대학 학생들이 2000년부터 2002년까지 3회 연속 금메달을 수상했다.
