Heidenhain entstammt einer Ärztefamilie. Sein Vater Rudolf Heidenhain war Physiologe und Professor an der Universität Breslau, seine Mutter Fanny, geb. Volkmann, die Tochter von Alfred Wilhelm Volkmann.
Nach dem Besuch des Gymnasiums in Breslau studierte er Biologie an den Universitäten von Breslau und Würzburg und anschließend Medizin in Freiburg im Breisgau. Nach seinem Doktortitel in Medizin im Jahre 1890 wurde er Assistent bei Albert von Kölliker in Würzburg und Prosektor für vergleichende Anatomie, Embryologie und Histologie. In Würzburg heiratete er Anna Hesse, die Ehe brachte drei Söhne und eine Tochter hervor.[1] 1894 habilitierte er sich und ging 1899 als Prosektor und außerordentlicher Professor an die Universität Tübingen, 1917 wurde er dort Ordinarius für Anatomie.[2] 1933 traf ihn der Erlass der Württembergischen Staatsregierung, der die Altersgrenze für Hochschullehrer von 70 auf 68 Jahre herabsetzte und er wurde emeritiert[3] , Nachfolger als Ordinarius für Anatomie wurde Otto Oertel.[4] Dennoch konnte Heidenhain bis 1939 jeweils im Wintersemester ein historisches Kolloquium abhalten, bis er sich aus Krankheitsgründen zurückzog.[