Bjarne A. Waaler var professor i fysiologi ved Universitetet i Oslo (UiO) i 30 år og bidrog der til å fornye fysiologien som forsknings- og undervisningsfag. Hans betydning som universitetsadministrator og som faglig tilrettelegger for andre har også vært meget stor.
Etter examen artium ved Nordstrand gymnas i daværende Aker 1943 begynte Waaler å lese til examen philosophicum ved UiO, men studiene ble avbrutt ved okkupasjonsmaktens stengning av universitetet 30. november samme år. Mens skolen hadde vært stengt på grunn av krigen, hadde han arbeidet 8 måneder som gårdsgutt i Lier, og da studiene måtte avbrytes, begynte han på fagskole for møbelsnekkere i Oslo. Dette tjente også som dekke for deltakelse i motstandsarbeidet i Milorg 1944–45.
Etter frigjøringen studerte han medisin ved UiO og ble cand. med. høsten 1950. Etter eksamen tjenestegjorde han 1951 som militærlege på Sola flystasjon og 1952 også på Bardufoss, for øvrig var han kandidat og assistentlege ved Strinda sykehus til høsten 1952 og deretter konstituert distriktslege i Kistrand i Finnmark til mars 1954.
Waalers vitenskapelige karriere begynte da han 1954 ble årskandidat ved Medisinsk avdeling A ved Rikshospitalet i Oslo, der det under professor Paul A. Owrens ledelse var et dynamisk hematologisk forskningsmiljø med hovedfokus på blodets koagulasjon. 1955–58 arbeidet Waaler som stipendiat samme sted og kunne 1958 forsvare sitt doktorarbeid med tema fra koagulasjonsforskningen. Fra november samme år til desember 1961 arbeidet han som stipendiat ved University Laboratory of Physiology ved Oxford University, før han vendte hjem og januar 1962 overtok stillingen som professor i fysiologi ved Universitetet i Oslo, et embete han hadde til han gikk av for aldersgrensen september 1992.
Fysiologifaget ved UiO opplevde en markant fornyelse da Waaler overtok ledelsen. Blodkoagulasjon var fortsatt en hovedinteresse, men Waaler har publisert en lang rekke vitenskapelige arbeider over beslektede emner og på andre felter, således om hemostase, lungekretsløpets fysiologi og regulering, blodkapillærenes fysiologi, reguleringsmekanismene for hjertets pumpefunksjon og reguleringen av blodsirkulasjonen i fordøyelsesorganene.
Ved Det medisinske fakultet ved UiO var Waaler med i en lang rekke utvalg og styringsorganer, blant annet som prodekanus 1970 og som fakultetets dekanus 1973–76. 1977–84 var han rektor ved UiO. Som rektor fremholdt han stadig hvilken viktig rolle universitetet spiller i samfunnet. Innad la han vekt på å styrke samholdet og korpsånden i institusjonen, samtidig som studietilbudene ble styrket og utbygd.
En særlig innsats for Det medisinske fakultet var hans intense og mangeårige kamp for å få reist nye bygninger for de prekliniske fag på Gaustad i Oslo. Det var derfor en milepæl også for ham personlig da første byggetrinn kunne åpnes 1978. Han er hedret for dette med en portrettbyste i vestibylen.
Waaler var styreformann i Universitetsforlaget 1983–87, ved Statens arbeidsmiljøinstitutt 1987–90 og ved Norges idrettshøgskole 1988–89. I sine mange artikler og taler om vitenskapens kår har han blant annet tatt opp sentrale spørsmål som betydningen av fri grunnforskning kontra programstyrt forskning.
Som pensjonist fortsatte Waaler sin forskningsvirksomhet vedrørende blodets sirkulasjon og reguleringen av denne. Som mangeårig leder av Eldre legers forening arbeidet han for eldre legers posisjon og rettigheter. 1995–96 deltok han, som et ledd i norsk støtte til de baltiske stater, i Norges Forskningsråds evaluering av forskningen i Litauen, og han ledet 1997–99 på vegne av Det Norske Videnskaps-Akademi et bredt anlagt støtteprogram for forskningen i Litauen.
Bjarne Waaler var medlem av Det Norske Videnskaps-Akademi fra 1973 og var vekselvis akademiets visepreses/preses 1989–96. Han ble utnevnt til kommandør av St. Olavs Orden 1981 og innehadde den litauiske Gediminas-orden.