隋朝
大业末年，其父薛世雄任涿郡太守期间，薛万均和兄弟薛万彻客居
幽州，随从
罗艺归顺大唐，授上柱国、永安郡公。大败
窦建德，随秦王迎战
刘黑闼。贞观初年，随
柴绍攻打
梁师都，任行军副总管，击败突厥兵，官拜左屯
卫将军。贞观八年（634年），随从
李靖攻打
吐谷浑，任沃沮道行军副总管，败敌军于青海，迁本卫大将军。贞观十三年（639年），随
侯君集攻打
高昌国，封潞国公。
贞观十五年（641年），坐清宫不谨下狱，忧愤而死。
李世民为之举哀，陪葬于
昭陵。
薛万均的父亲薛世雄，原籍河东汾阴，后迁徙京兆咸阳。隋大业末年，薛世雄任涿郡太守期间，其子薛万均、
薛万彻客居于
幽州。因武艺超群，兄弟两人为幽州
刺史罗艺所爱。隋末天下大乱，武德二年（619年），薛万均、薛万彻弟兄二人跟随罗艺一同投奔
李渊，归附
唐朝，
高祖授薛万均上柱国、永安郡公。
武德三年（620年）九月，窦建德率10万人进攻
涿州市（今河北涿州)。罗艺准备出击迎战时，薛万均建议说：“寡不敌众，我们应当以计取胜。”薛万均让罗艺令羸兵弱马阻水布阵来引诱敌军，薛万均万均自己带着精锐骑兵埋伏于城左。趁窦建德的军队渡水过河时，薛万均半渡而击，大败窦军。第二年，窦建德领兵二十万攻打
幽州。窦建德兵已经攻上城墙，薛万钧及其弟
薛万彻率敢死队百人从地道出城，攻击窦军身后，窦军惊恐溃走。武德五年（622年）秦王李世民平定
刘黑闼期间，薛万均为右二护军，待遇很厚。
李世民贞观初年，薛万均多次迁任殿中
少监，随
柴绍出击
梁师都。在距离
朔方郡（今
靖边县东北白城子）数十里的地方，突厥兵从四面围攻过来，官军稍有退却。薛万均与弟薛万彻拦腰截击，斩杀其骁将，敌军阵势混乱。薛万均等乘胜出击，大量杀伤敌军，并击鼓进军，将梁师都包围。众将认为城池坚固攻不下来，薛万均认为城内敌军士气低落，已经出现破亡的征兆。不久，梁师都被敌军内部被杀，城中人投降，突厥兵不敢援助。薛万均官拜左屯
卫将军。
贞观九年（公元635年），
李靖率军出击吐谷浑，薛万均任沃沮道行军副总管。大军到达青海（今
青海湖），薛万钧和薛万彻兄弟二人各领百骑行军在最前面，突然与敌军相遇，薛万均单骑冲入敌阵，无人敢挡。返回后对诸将说：“敌军好对付。”然后再次向敌军进击，斩杀数千敌军，勇冠三军。追击至
积石山（今青海东南部积石山脉）时，
军旗被大风吹断，薛万均认为敌军马上就要来了，遂停止追击。不久，敌军到来，薛万均径直上前斩杀敌军将领，敌军溃败。薛万均又和薛万彻在赤水源打败吐谷浑天柱王，俘获各类牲畜二十万计，唐军一直追击到
新疆塔克拉玛干沙漠（今
新疆维吾尔自治区塔克拉玛干沙漠）才返回，与
李靖在青海汇合。皇帝玺书慰劳，薛万均迁本卫大将军。
贞观十二年（公元638年），薛万均随
侯君集进击高昌国（
首都即今新疆维吾尔自治区
哈密市东南高昌故城），曲智盛坚守不下，薛万均率军发起进攻，曲智盛恐惧，向唐军投降。薛万均因战功进封潞国公。有人向朝廷控告薛万均与高昌女子淫乱，唐太宗想要追究他的罪过，
魏徵劝谏认为，君主以礼使臣，如果控告的事情属实，就是有罪也是小事，如果只是传言，则会产生不好的影响。唐太宗就下诏不予追究。
贞观十五年（公元641年），唐太宗巡幸芙蓉园，薛万均负责警卫，因为清理宫室不严谨，因此获罪入狱。薛万均忧愤而死。唐太宗惊而悼之，令其陪葬于
昭陵，以示恩宠。后来唐太宗召集
司徒姓长孙无忌等十几个人在丹霄殿里宴会，各赐予皮，薛万均的弟弟
薛万彻也参加宴会。
李世民本意是要赏赐薛万彻，却误喊为薛万均。太宗悲伤地说：薛万均是朕的旧日功臣，不幸早亡，现在不自觉地喊出了他的名字，难道是他的灵魂想要朕的赏赐啊。因而叫人取来一张貘皮，呼喊着薛万均的名字一同赏赐，然后当面把貘皮焚烧。在座众人无不感叹。