温应星1887年出生在中国广东台山的官宦之家，父亲为清朝进士。受叔父、清廷驻西藏帮办大臣温宗尧影响，他从小立志从军，曾在作为留洋预科班的清华学校学习，并在1904年秋时获公费来美留学，就读维吉尼亚军校，成为该校首位外国学生，随后于1905年转入西点军校，成为该校首位中国留学生及首位华裔学生。

1909年，温应星成为首位从西点军校毕业的华裔学生，一同毕业的包括在美国军事史上名声大噪的巴顿(George Patton)等28位将军。学成归国后，他面对的是风雨飘摇的清廷，先在广东军校任数学教师，随后站到革命的一边，追随孙中山，担任大元帅府英文秘书。1921年至奉系军阀张作霖手下任职，1928年获派担任清华大学校长，成为唯一出任清华校长的军人。

温应星此后奉命南下，追随宋子文筹建税警总团并任总团长。但宋子文反蒋失败后，温应星遭连累，被蒋介石调任虚职，一直未再获实际兵权。1949年中共建政，他不愿随蒋介石退守台湾，以中将军衔退役，随后在西点军校同学帮助下，由香港辗转移民至美国，于华府定居，以开洗衣店谋生，直至1968年5月28日以81岁高龄逝世，与妻子一同安葬在西点军校军人公墓内，也是公墓中唯一一块为中英文对照碑文的墓碑。

温应星除温小曼一个女儿外，另有六子，仅第五子温哈熊从军，曾为中华民国陆军二级上将，总统府国策顾问。另外五子为温京熊、温燕熊、温陵熊、温粤熊和温申熊。其中温陵熊的女儿温子华夫婿为香港首任特首董建华胞弟董建成，为董氏家族企业东方海外国际有限公司董事会主席。