1930—1934年，任北平地质调查所调查员。

1935—1937年，在贵阳地质处工作。

1937年，又发现昆明北乡中邑村磷矿线索；同年，他发现了黔东震旦纪冰碛层，为地层对比找到了可靠依据。这是首次发现滇东震旦系冰碛层，证实了南方冰碛层的普遍存在。

1938—1941年，任经济部地质调查所昆明办事处主任。

30年代至40年代初，王曰伦在西南地区研究寒武纪及志留纪地质，以黔南地质调查为基础，建立下古灰统分层的标准剖面，至今仍被地质界普遍应用。

1942年，任甘肃地质矿产调查队队长。

1942—1949年，王曰伦主要在陕甘宁、新疆、青海地区从事地质研究工作，为西北地区地质调查做出了贡献。

1943年春，又奉命组建经济部中央地质调查所西北分所，并任所长。

1943—1949年8月，任兰州中央地质调查所西北分所所长。

1949-1950年，任兰州地质调查所所长、甘肃省企业厅地质师。

20世纪50年代初，纠正了美国学者威利斯和布莱克韦尔德1903—1904年所建立的五台山区前寒武纪地层系统，改正和厘定了五台山区变质地层的层序，这是中国前寒武纪地层研究做出的一项具有突破性的成果。

1950年，在五台山区进行古老岩系中的铁矿资源调查时，就注意到花岗岩、闪长岩（或玄武岩），与大理岩、片岩及石英岩等相间出现的现象。

1951年，与贾兰坡在周口店地区进行地质考察，在猿人洞下及高楼发现有泥砾，并在周口店附近发现了冰川地形及大量的冰川停积物，砾石上除有条痕外尚有冰流底面，认定周口店第四纪冰川有三期。

1951—1955年，任中央财政经济委员会北京地质调查所、全国地质工作计划指导委员会、地质部普查委员会工程师以及221勘探队副队长。

1956年，任地质部地质矿产研究所矿床室副主任。

1957-1963年，任地质部地质研究所前寒武纪地质及变质岩研究室副主任。

1958年，王曰伦在大石门石英砂岩的夹层中发现了莱德利基虫化石，证实大石门石英砂岩同于下寒武系底部碎屑岩系。1959年，在全国前寒武纪铁矿地层现场会议上，王曰伦做《嵩山地层》专题报告，经与会专家现场考察与讨论，解决了许多悬而未决的地层问题，对嵩山区前寒武纪地层顺序基本取得了一致认识，王曰伦的分层方案为河南省地质局广泛采用。

1960年，他在太行山区考察前寒武纪地层。

1961年，又同地质力学研究所等单位的同事对太行山地区进行了综合地质考察，初步建立了黄壁庄地区，井陉地区，元氏、赞皇、高邑、临城、邯郸一带的第四纪冰期、间冰期地层系统，将太行山东麓第四纪初步划分为冯村冰期、黄壁庄冰期、赞皇冰期和北冶冰期4个冰期与间冰期。

20世纪70年代，根据中国国家建设之所需，进行了铁矿资源研究，对找矿实践和矿床学理论研究起了积极的促进作用。

1978年，开始再度重点转入前寒武纪地质研究。

1964—1981年，任地质矿产部天津地质矿产研究所（原华北地质科学研究所）所长、名誉所长、研究员。

1979年， 王曰伦加入中国共产党，直到病危仍心系祖国地质事业。

1981年7月20日，病逝于天津。

20世纪30年代在丁文江工作的基础上，在云南奠定了中国前寒武地层层序及其底界。1937年，发现了黔东震旦系冰碛层，为地层对比找到可靠依据。50年代初，改正和厘定了五台山区变质地层的层序。与贾兰坡共同发现了周口店猿人产地第四纪冰川遗迹，提出南、北方震旦地层应为上下关系。60年代组织、参加华北前寒武纪及第四纪地质研究，主编全国中、晚元古界对比划分专著。70年代，他致力于铁矿资源的研究，提出了海相火山成矿的新观点。

王曰伦对前寒武纪地质研究造诣很深，对矿床地质、区域地质、地层古生物、石油地质、煤田地质、第四纪地质、大地构造、古冰川地质理论等学科研究，均有独到见解，且论著甚丰。主要有：《湖南宁乡铁矿地质》、《祁连山东段地质矿产》、《五台山五台纪地层的新见》、《中国震旦纪冰碛层及其对地层划分的意义》、《中国的前寒武系》、《中国上前寒武系的划分和对比》、《邯邢式铁矿床的铁质来源及成因的控讨》等。

1943—1949年他任中央地质调查所西北分所所长时率其同仁“西至新疆，东逾陇山，北入蒙旗，南越祁连，测定经纬点，绘制地质图，研究其地层，勘察其矿藏”，填制地质图18幅，区域地质图9幅，详测矿区图14幅，概测矿区图34幅，撰写岩矿专著16种、地质及其他论著50余种。

他主持的《中国第四纪大冰川》项目和《邯邢铁矿成矿理论和找矿方法》项目获1978年全国科学大会奖；他主持的《中国震旦亚界（晚前寒武系）》项目获1982年国家自然科学奖三等奖；他参加的《中国地质图类及亚洲地质图》项目获1982年国家自然科学奖一等奖。1980年当选中国科学院学部委员（院士）。

王曰伦出生在五岳之首——东岳泰山南麓、山东省泰安县赵家庄一个贫寒的中农家庭。他自幼聪颖好学。在家乡念完初中之后，由几家富裕乡亲资助，出外进一步深造。他到山西太原，以初中毕业的同等学历考上了山西大学预科。预科结业，选择本科专业时，他升入该校工学院采矿科，从此投身于祖国的地质矿业事业。

1927年，他大学毕业后，由老师介绍，到山西大学瑞华地质调查研究会工作。1929年，他又转入中国最大的地质机构——农矿部(以后相继为实业部、经济部)地质调查所，他在该所工作了整整20年，直至1949年新中国成立。他先后担任了该所调查员、技佐、技士、技正，乃至西北分所所长等职，他在该所做出了重大的贡献，奠定了一生事业的基础。

王曰伦到农矿部调查所不久，就参加了杰出的地质学大师——中国地质科学创始人之一的丁文江领导的“西南地质大调查”。他与丁及中青年地质学家谭锡畴、李春昱，测量学家曾世英自北平乘火车至汉口，再乘轮船溯江而上去重庆。他们乘的轮船在沙市码头靠岸时，王曰伦问明了开船时间，上岸购物。哪知他在开船时间之前赶回码头时，却听见一声汽笛，轮船提前开出了。他赶紧雇一支小快船，飞快追至江心，当二船相靠时，他往轮船跨去，未能站稳，掉入江中。丁文江等连忙责成船员扔下救生圈和缆绳，才将他救起。

他们旅途虽历尽艰险，却在半年多野外地质调查中取得了重大成果。例如丁文江与王曰伦等建立的黔南独山地区“丰宁系”地层系统一直得到国内外地质学界的承认和赞许。

二十世纪50年代末期，一些前苏联地质学家到中国的秦岭走了一圈，绘制了16幅1:20万的地质图。苏联专家把东秦岭的地层定为滹沱系的变质岩老地层，属于前寒武系地层。王曰伦受国家委派前往验收，通过认真的调查研究，他认为苏联专家定错了，东秦岭不单单有前寒武系地层，还有早古生代时期的地层。当时的苏联被尊为上宾，堂堂苏联地质学家竟被中国地质工作者指出错误，感到面子上过不去。于是就说：“你要是能找到化石，有确凿的证据，我请客！”王曰伦丝毫不示弱地说：“好，我找到化石，你请客，咱们就这样定了。”为了让事实说话，王曰伦带领地质人员再次深入秦岭调查，终于发现三叶虫化石，这是验证秦岭岩层的最有力证据。在1959年全国地层工作会议上展示了秦岭的三叶虫化石，苏联专家在事实面前不得不承认他们的地质图确实画错了。

二十世纪70年代初期，王曰伦从丰富的实践经验中提出一种新的成矿理论——海相火山岩成矿论。该理论认为，大约在5亿-4亿年前的奥陶纪，海底火山喷发频繁，火山活动带来很多富铁物质，经过海水的物理和化学作用，沉积成大型富矿。这种成矿空降宽广，可以形成巨大的层状矿。这一理论打破了传统的“矽卡岩”成矿理论的约束，扩大了找矿的范围。当时，我国地质界赞成和相信这一理论的人并不多。1973年，王曰伦不顾高龄，来到河北邯郸铁矿区，在现场指导一台钻机穿透“矽卡岩”后继续向下打钻，钻到900米时，在两个层位相继发现40米厚和90米厚的富铁矿层，邯郸矿区的储量从原来的2亿-3亿吨猛增到8亿-9亿吨。他带领团队在冀东某地质队考察构造问题时，他发现那里的铁矿并非如旧时说的单斜层，便提出复向斜构造观点。钻探也证实了该观点，铁矿储量有了成倍增长。在那之后的几年里，王曰伦一直不辞辛苦，辗转奔波，到江苏利国泽、安徽铜陵、湖北大冶、陕西东秦岭，还有湖南、广西、海南岛等地，验证火山岩成矿理论。王曰伦院士把一生都奉献给了祖国的地质事业。满怀真诚的爱国热情和强烈的责任感，凭借丰富的地质知识，在不同的年代都为国家找到丰富的矿产宝藏， 为祖国建设添砖加瓦。他为事业奔波的足迹永远刻在祖国的山川间。

王曰伦担任过中国地质学会理事、天津市地质学会理事长、国际地质科学联合会前寒武纪地层分会委员、前寒武纪专业委员会主任、中国地质学会第四纪冰川及第四纪地质专业委员会名誉委员、天津市自然辩证法研究会理事等职，他是第九届天津市人大代表。

王曰伦为中国寒武纪特别是前寒武纪地层研究付出了巨大精力，做出了卓越贡献，对许多重大地质问题有独到见解，其中绝大部分观点和看法被以后的研究证明是正确的。他同时还对中国第四纪地质及冰川研究同样有过重要贡献。（九三学社评）

王曰伦同志对于中国的地质事业，勤勤恳恳，兢兢业业，数十年如一日。他是老一辈地质工作者心目中的“铁牛”。（《天津地质矿产研究所所刊 第七号》评）

王曰伦学的是采矿专业，而他能成为一位著名的地质学家，完全是自学和努力的结果。他没有学过古生物学，但他对标准化石很熟悉。他没有学过冰川学，而对我国第四纪冰川有相当研究。他没有学过地层学，却对我国前寒武纪地层学做出了重大贡献。他在科学上不断创新，勤勤恳恳，从不迷信权威，是我们学习的楷模。（九三学社评）