1923年毕业于洛阳第三甲种农业学校，考入
上海大学社会学系。1924年，由当时在上海大学执教的瞿秋白、蔡和森介绍加入中国共产党。1925年，王伯阳在上海大学参加“五”运动。第二年又参加组织由
上海市爱国学生与工人参加的“五卅”运动周年纪念活动。同年夏，王伯阳参与领导在上海女子勤业师范学校举办的“夏令营讲学会”，邀请施存统、
杨杏佛、
茅盾、
陈望道、
田汉、
肖楚女到会讲学，并组织学习
马克思列宁主义著作和《
新青年》、《向导》等革命书刊。
1926年8月，王伯阳在
山东省创建了曲阜第二师范中共党支部。10月，在
寿阳县主办国、共两党骨干分子训练班，组织力量迎接北伐军。
1927年春，王伯阳接替关向应任共青团山东省委书记。“四一二”反革命
政变后，他转入地下斗争。1928年济南
济南惨案不久，王伯阳在上海被
中国国民党逮捕，押在漕河泾监狱。虽遭酷刑，始终没有暴露身份。后经
叔父王广庆多方营救，次年夏获释。先到豫鲁苏边区工作，后到开封青云街（今西大街口）中共机关做地下工作。
1930年5月，王伯阳任共青团河南省委书记。8月由于“左”倾路线的影响，将河南党、团、工会组织合并，在
开封市成立领导武装起义的“行动委员会”。10月初，赴
天津市参加
中共中央北方局扩大会议，听取了中国共产党六届三中全会精神。回豫后积极贯彻中央会议精神，协助省委消除“左”倾影响，迅速恢复党、团、工会组织，开展正常工作。12月底，任团省委常委兼组织委员，并代管少年先锋队工作。不久，代理团省委书记。1931年2月，任中共河南省委常委兼团省委书记。5月，中共中央派纪国等人到开封组建新省委，王伯阳与任新省委执行委员会委员。
九一八事变后，团中央派李干成到
河南省接替王伯阳任团省委书记职务。1932年2月，王伯阳以巡视员身份，先后到
郑州市、
孝义市、
孟津区、
济源市、
洛阳市等地指导工作。济源师范学校在中共领导下，酝酿武装暴动，他亲往开会布置，后因局势变化，“济师暴动”未能举行。6月，赴
上海市参加中央工作会议。
8月初，在郑州参加中共河南省委会议，因叛徒出卖，与省委书记纪国桢等主要领导干部一同被捕，囚禁于开封绥靖公署。在狱中，他坚贞不屈。8月20日，王伯阳与纪国桢共14人在开封西门外就义。