Söderhjelm machte Abitur in Wyborg und studierte an der Universität Helsinki (bei Carl Gustaf Estlander), Leipzig, Wien, München (bei Michael Bernays) und Paris (bei Gaston Paris). 1886 wurde er in Helsinki Privatdozent für Ästhetik und moderne Literatur. Er war in Helsinki ab 1889 Privatdozent, von 1994 bis 1898 außerordentlicher Professor für Romanische Philologie, von 1898 bis 1908 Ordinarius auf dem neugeschaffenen Lehrstuhl für Germanische und Romanische Philologie, nach dessen Teilung von 1908 bis 1913 Ordinarius ausschließlich für Romanische Philologie (Nachfolger bis 1929: Axel Wallensköld, 1864–1933) und von 1913 bis 1919 Ordinarius auf dem für ihn geschaffenen Lehrstuhl für Einheimische und Allgemeine Literaturgeschichte.
Von 1919 bis 1928 war er finnischer Botschafter in Stockholm.
Söderhjelm war Mitbegründer und 1890–1902 Präsident der Sociéte Néophilologique.
De Saint Laurent. Poème anglonormand du XIIe siècle, Paris 1888
Anteckningar om Martial d’Auvergne och hans kärleksdomar, Helsinki 1889
(Hrsg. mit Axel Wallensköld) Le Mystère de Saint Laurent publié d'après la seule édition gothique, Helsinki 1890
Das Martinleben des Péan Gatineau. Bemerkungen über Quellen und Sprache, Helsinki 1891 (2. Auflage u.d.T. Das altfranzösische Martinsleben des Péan Gatineau aus Tours, Helsinki 1899)
Germaanilaisista ja romaanilaisista kieliopinnoista. Germaniska och romaniska språkstudier. En Blick påderas historia, metoder, hjälpmedel, Helsinki 1892
Italiensk renässans (mit Torsten Söderhjelm[1878–1907, Bruder]), Stockholm 1907 , 3. Auflage 1912 (finnisch: Italian renessanssia. Kirjallisuus ja kulttuuritutkielmia, Helsinki 1926)
Oscar Levertin. En minnesteckning , 2 Bde., Stockholm 1914–1917
Åboromantiken och dess samband med utländska idéströmningar, Borgå 1915
Utklipp om böcker I-III, Helsinki 1916–1924
Johannes Linnankoski [1869–1913]. En finsk diktarprofil, Helsinki 1918. (Johannes Linnankoski. En levnadsteckning, Helsinki 1924)
Skrifter, 10 Bde., 1923–1925
Pierre de Provence et la belle Maguelone, in: Mémoires de la Société néo-philologique de Helsingfors ; 7, 1924
Läroår i främmande länder, Helsinki 1928
Literatur
Heidi Silvennoinen, Werner Söderhjelm - pionnier de la philologie romane et de la nouvelle méthode d'enseignement des langues modernes en Finlande. Analyse des manuels de français de Söderhjelm – Tötterman, Diss. Jyväskylä 2000