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 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.
Wilhelm war der älteste Sohn von König Friedrich I. von Württemberg und von Prinzessin Auguste Karoline von Braunschweig-Wolfenbüttel. Sein Vater war über dessen Großmutter mütterlicherseits ein Großneffe des preußischen Königs Friedrich II., der auch der Großonkel seiner Mutter war. Wilhelms Vater und sein Großvater begannen ihre militärische Laufbahn in Preußen. Die Schwester von Wilhelms Vater Elisabeth wurde 1788 mit dem österreichischen Thronfolger Erzherzog Franz Josef Karl, dem späteren Kaiser Franz II. vermählt. Sie war die erste Ehefrau Franz'. Nachdem er in der Zwischenzeit mit zwei weiteren Frauen verheiratet war, heiratete Kaiser Franz am 10. November 1816 in vierter Ehe die von Wilhelm geschiedene Charlotte Auguste von Bayern. Franz war damit sowohl der Ehemann von Wilhelms Tante als auch später der Ehemann von Wilhelms geschiedener Frau. Eine weitere Schwester von Wilhelms Vater Friedrich Sophie Dorothee von Württemberg wurde mit dem Sohn Katharinas der Großen und späteren Zaren Paul verheiratet und nahm als Zarin den Namen Maria Feodorowna an. Diese verwandtschaftliche Beziehung zum Zarenhaus hatte für das spätere Königreich Württemberg spätestens seit der Reorganisation Europas im Zuge des Wiener Kongresses wichtige politische Folgen. Wilhelm heiratete in zweiter Ehe die Tochter seiner Tante Maria Feodorowna Großfürstin Katharina Pawlowna. Nachdem Katharina bereits 1819 verstarb, wurde die verwandtschaftliche Beziehung zu Russland durch die Hochzeit Prinz Karls, des ältesten Sohnes Wilhelms aus dessen dritter Ehe, erneuert. Er heiratete 1846 Großfürstin Olga. Olga war die Enkelin von Wilhelms Tante Maria Feodorowna und die Nichte seiner zweiten Frau Katharina. Ihr Vater war Zar Nikolaus I., der Nachfolger ihres Onkels, des Zaren Alexander I. Alexandra Fjodorowna, die Mutter Olgas, war wiederum die Schwester der Preußenkönige Friedrich Wilhelm IV. und Wilhelm I., des späteren deutschen Kaisers. Wilhelms Schwester Katharina wurde 1807 mit Jérôme Bonaparte, dem Bruder des französischen Kaisers Napoléon Bonaparte verheiratet. Zum britischen Königshaus bestanden Beziehungen über Wilhelms Großmutter mütterlicherseits Augusta von Hannover, der älteren Schwester des britischen Königs Georg III. Georgs Tochter Charlotte Auguste war wiederum die zweite Frau König Friedrichs von Württemberg und damit Wilhelms Stiefmutter. Wilhelms Onkel Ludwig von Württemberg, der Vater seiner dritten Frau Pauline ist wiederum der Urgroßvater der britischen Queen Mary, der Großmutter Elisabeth II. Sophie von Württemberg, Wilhelms zweite Tochter aus der Ehe mit Katharina heiratete 1839 ihren Cousin Wilhelm III. von Oranien, den späteren König der Niederlande. Wilhelm III. war ein Sohn von Katharinas Schwester Anna Pawlowna.