Nachdem Wilhelms Jugend von Auseinandersetzungen mit seinem Vater König Friedrich geprägt war, übernahm er die Regentschaft in Württemberg im von Missernten und Hungersnot geprägten „Jahr ohne Sommer“ 1816. Gemeinsam mit seiner bereits 1819 verstorbenen Ehefrau Katharina, einer Tochter des russischen Zaren Paul, leitete er nach seinem Amtsantritt umfassende Reformen ein, die sich in der Zustimmung der Württembergischen Landstände zur Verfassung am 25. September 1819 manifestierten. In seiner 48 Jahre andauernden Regierungszeit wandelte sich das Königreich Württemberg vom aus verschiedenen konfessionell unterschiedlichen Fürstentümern entstandenen heterogenen Agrarstaat zu einem Verfassungsstaat mit einer gemeinsamen Identität und einer durchorganisierten Verwaltung.
Neben seiner erfolgreichen Innenpolitik verfolgte er während seiner gesamten Regentschaft eine ambitionierte auf Deutschland und Europa ausgerichtete Außenpolitik, die auf eine Veränderung des vom Wiener Kongress geschaffenen europäischen Machtsystems abzielte. Neben den Großmächten Preußen und Österreich sah er in den Königreichen Bayern, Sachsen, Hannover und Württemberg Kristallisationskerne einer dritten deutschen Großmacht. Auch wenn diese Triaspläne nie zum Erfolg führten, gewährleisteten sie während seiner gesamten Regierungszeit eine durchgängige, schlüssige und zielgerichtete Politik. Als einziger deutscher Monarch sah Wilhelm sich gezwungen, die Reichsverfassung von 1848 anzuerkennen. Nach dem Scheitern der Revolution von 1848/49 verfolgte er eine kleinkarierte restaurative Politik, die sein liberales Image aus der Zeit vor der Revolution konterkarierte. Er starb 1864 auf Schloss Rosenstein in Cannstatt. Sein Grab befindet sich in der Grabkapelle auf dem Württemberg.