Wilhelm Ebstein entstammte einer großbürgerlichen deutsch-jüdischen Familie aus Niederschlesien. Er studierte an den Universitäten Breslau und Berlin Medizin. Zu seinen Lehrern gehörten Friedrich Theodor von Frerichs in Breslau sowie Rudolf Virchow und Moritz Heinrich Romberg in Berlin.
1859 wurde er in Berlin promoviert und arbeitete seit 1861 am Allerheiligen-Hospital in Breslau. 1869 habilitierte er sich und erhielt 1874 einen Ruf auf eine ordentliche Professur für Innere Medizin nach Göttingen (als Nachfolger von Karl Ewald Hasse (1810-1902)). Mit großer Energie und Engagement widmete er sich dort der universitären Lehre und Forschung sowie dem Ausbau der Klinik. In seiner Amtszeit wurde die neue Medizinische Klinik an der Humboldtallee errichtet. 1906 wurde er emeritiert.
Sein Forschungsschwerpunkt waren die Stoffwechselkrankheiten. Zu seinen Lebzeiten galt er weltweit als einer der bedeutendsten Spezialisten auf diesem Gebiet.
Wilhelm Ebstein ist nicht zu verwechseln mit dem englischen Virologen Michael Epstein (* 1921), dem Mitentdecker des Epstein-Barr-Virus.
Eine Reihe von medizinischen Syndromen oder Anomalien sind nach ihm benannt:
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- Ebstein-Anomalie (seltene Missbildung der Trikuspidalklappe)
- Pel-Ebstein Fieber (charakteristischer Fieberverlauf der gelegentlich bei Patienten mit malignen Lymphomen, z. B. Morbus Hodgkin auftritt)
- Ebsteinsche Krankheit (hyaline Degeneration der Nierentubuli bei Diabetes mellitus, eine Form der diabetischen Nephropathie)
- Armanni-Ebstein-Nephropathie (besondere Form des Spätsyndroms der diabetischen Nephropathie)