In Basel geboren, erhielt Willi Zimmermann seinen ersten Violinunterricht mit sechs Jahren. Er wurde 1978 in die Klasse von Sándor Zöldy aufgenommen und schloss sein Lehr- und Konzertdiplom mit Auszeichnung ab. Ein Stipendium ermöglichte ihm die Weiterbildung bei Sándor Végh und Günter Pichler.
Von 1985 bis 2007 war Willi Zimmermann Primarius des international tätigen und vielfach ausgezeichneten Amati Quartetts. Als erster Konzertmeister im Orchester Musikkollegium Winterthur von 1992 bis 2010 und Konzertmeister des Zürcher Kammerorchesters seit 2008 leitet er viele Konzerte vom Pult aus. Daraus ergaben sich zahlreiche Zusammenspiele mit namhaften Künstlern wie Krystian Zimerman, Fazil Say, András Schiff, Rudolf Buchbinder, Heinrich Schiff, Thomas Zehetmair, Sir James Galway und Pinchas Zukerman. Als Co-Solist konzertierte er zudem mit Daniel Hope, Giuliano Carmignola, Patricia Kopatchinskaja und vielen anderen. Als Gast leitet Willi Zimmermann die Berliner Barocksolisten der Berliner Philharmoniker.