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Nato come Edward Hamilton Waldo, dopo il divorzio dei suoi genitori, all'età di undici anni assunse il cognome del patrigno, William Sturgeon, l'uomo col quale sua madre si era risposata. Dopo aver fatto una miriade di mestieri, all'età di 21 anni Sturgeon si dedicò alla scrittura e vide un suo racconto, Ether Breather, pubblicato nella rivista Astounding. Nella stessa rivista, ed in altre come Unknown e Argosy Magazine, furono pubblicati i suoi lavori successivi, principalmente racconti.

Sebbene le numerose riviste del tempo favorissero la scrittura e la pubblicazione di storie brevi o a puntate, la produzione di Sturgeon comprese anche alcuni romanzi, divenuti molto famosi, tra cui spicca Cristalli sognanti, che mette in crisi e in discussione il concetto stesso di ruolo e identità, stravolgendo le percezioni della realtà. Tra la fine degli anni sessanta e gli inizi dei settanta prese parte alla scrittura delle sceneggiature di alcuni episodi della serie televisiva Star Trek, introducendo il concetto di Prima direttiva, ripreso nella produzione seguente. Alcune delle sceneggiature furono effettivamente trasposte in episodi (Shore Leave del 1966 ed Amok Time del 1967), mentre altre rimasero sulla carta.

I romanzi ed i numerosi racconti fanno includere Sturgeon nella lista dei migliori scrittori dell'Età d'oro della fantascienza, insieme a Robert A. Heinlein, Isaac Asimov, Fredric Brown, Clifford D. Simak, Arthur C. Clarke ed A. E. van Vogt.