Nació en la casa parroquial de Sorn, Ayrshire, Escocia, el 2 de junio de 1823.
El padre era nieto, por parte paterna, de James Balfour (1705-1795) de Pilrig, profesor de filosofía moral y derecho público en Edimburgo, y por parte materna de Robert Whytt, profesor de medicina en Edimburgo.
De los hermanos de George William, el mayor, John Balfour ( d. 1887), cirujano de la Compañía de las Indias Orientales, sirvió durante la segunda guerra birmana y el motín, y finalmente ejerció su profesión en Leven, en Fife. Otro hermano, Mackintosh, que pasó su vida en la India, se convirtió en gerente del banco Agra. 
George William, después de su educación en Colinton, comenzó el estudio de la ciencia veterinaria con miras a establecerse en Australia; pero pronto resolvió unirse a la profesión médica y entró en la Facultad de Medicina de Edimburgo.
En 1845 se graduó como médico en St. Andrews y se convirtió en LRCS Edinburgh.
Después de actuar como cirujano interno del Hospital de Maternidad de Edimburgo, en 1846 se trasladó a Viena, donde estudió los métodos clínicos de Skoda, las investigaciones patológicas de Sigmund y el tratamiento homeopático de Fleischmann.
A su regreso de Austria, en 1846, publicó artículos sobre "El tratamiento de la neumonía practicado por Skoda" (Northern Journal of Medicine , enero de 1846, p. 55) y sobre «El tratamiento homeopático de las enfermedades agudas de Fleischmann» ( British and Foreign Medico-Chirurgical Review, octubre de 1846, pág. 567), que lo colocó de inmediato en la primera fila de los investigadores médicos más jóvenes. A partir de entonces, Balfour contribuyó en gran medida a la literatura médica.
Balfour fue médico general en el condado de Midlothian desde 1846 hasta 1857, cuando se trasladó a Edimburgo y ejerció como médico al convertirse en FRCP Edinburgh en 1861.
En 1866 fue nombrado médico del Royal Hospital for Sick Children, y desde 1867 fue médico de la Royal Infirmary, siendo nombrado médico consultor en 1882, al finalizar su mandato.
En la enfermería, Balfour obtuvo el reconocimiento general como profesor clínico de primera eminencia, tanto en la sala de conferencias, junto a la cama y a través de sus escritos.
Para la New Sydenham Society tradujo (1861-5) el "Manual de práctica de la medicina forense", de Johann Ludwig Casper.
En 1865 publicó 'Una introducción al estudio de la medicina', una obra que ilustra bien su temperamento filosófico, juicio y sentido histórico, así como la gracia literaria que era herencia familiar. En 1868, siguiendo una sugerencia de su suegro, el Dr. James Craig de Ratho, escribió dos hábiles artículos sobre 'El tratamiento del aneurisma con yoduro de potasio', y desde entonces concentró principalmente su atención en las enfermedades del corazón.
'Clinical Lectures on Diseases of the Heart and Aorta', que apareció en 1876, mejoró enormemente su reputación, y 'The Senile Heart', que se publicó en 1894, de inmediato tomó rango como un clásico. Con Sir William Tennant Gairdner en Glasgow, y Charles Hilton Fagge en Londres, Balfour compartió el mérito de haber hecho las contribuciones más importantes de su generación al estudio clínico de las afecciones de la circulación.
Balfour, que estaba interesado en la bibliografía, fue bibliotecario del Colegio de Médicos de Edimburgo de 1873 a 1882 y de 1887 a 1899.
Fue presidente del colegio de 1882-4 y miembro del Tribunal de la Universidad de St. Andrews para muchos años. Recibió el título honorífico de LL.D. en Edimburgo en 1884 y en St. Andrews en 1896. Fue nombrado médico ordinario de la reina Victoria en 1900 y médico honorario del rey Eduardo VII en 1901.
En 1899 Balfour se retiró de Edimburgo a Colinton, el hogar de su juventud, donde murió el 9 de agosto de 1903.
De comportamiento impasible, cautivó a sus amigos con su peculiar humor y cultura.
Aunque probablemente el mejor auscultador de su tiempo, carecía de todo aprecio por la música.
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