ヴィレム3世はオランダ独立の英雄ヴィレム1世（沈黙公）の曾孫として生まれた。ヴィレム1世に始まるオラニエ＝ナッサウ家は、南フランスのオランジュ（オランダ語でオラニエ、英語でオレンジ）、オランダ、ドイツ中西部のナッサウに領地を持ち、オランダでも最有力の貴族で、ヴィレム沈黙公以来ネーデルラント連邦共和国（オランダ共和国）統領（総督とも言う）を務めていた。オランダ統領であった父ヴィレム2世は1650年、ヴィレム3世が生まれる8日前に天然痘で死去した。生まれた時に父が死んでいたため、ヴィレム3世は出生と同時に家領のオラニエ、ナッサウを継承したが、オラニエ家がオランダ統領職を世襲することに反対する共和派が、成人後もしばらくはウィレム3世の統領就任を認めなかった。ヴィレム3世の母はチャールズ1世の王女メアリー・ヘンリエッタ・ステュアートであったが、1660年には母も死去している。幼くして両親を亡くし、名門貴族の当主として育てられたヴィレム3世は、寡黙で慎重な性格を身に付けた。
オランダのブルジョワ政治家たちに排斥されて、オランダ統領を世襲できなかったヴィレム3世だが、1672年ルイ14世のフランス軍がオランダに侵攻し、オランダ戦争が開始される。アムステルダムが占領の危機に瀕すると、政治指導者デ・ウィッテが暴徒によって殺害され、同年ウィレム3世は統領に迎えられた。彼は直ちにオーストリアやスペインと同盟を結んで逆にフランスを包囲する形勢を作り、フランス軍を撤退させた。このあたりの手腕は見事なものであった。これ以降、ヴィレム3世はルイ14世の仇敵となる。
1677年、ロンドンでイングランド王弟ヨーク公（後のジェームズ2世）の娘メアリーと結婚した。ジェームズ2世はチャールズ1世の息子で、ヴィレム3世の母メアリー・ヘンリエッタの弟であったから、妻とは従兄妹の関係になる。メアリーは背が高く大柄で、背の低いヴィレムとは似合いの夫婦ではなかった。夫婦仲は良くなく、ヴィレム3世には別に愛人があり、また同性愛的傾向もあったが、メアリーに敬意を払うことだけは忘れなかった。
1686年、ルイ14世が再び欧州侵略の野望を強めると、ヴィレム3世はオーストリアやスペイン、スウェーデンなどとアウグスブルク同盟を結成してフランスに対する対抗姿勢を強め、1688年ルイ14世がプファルツ侵略を開始するとアウグスブルク同盟戦争が勃発した。
1688年、イングランド議会の要請を受け、ヴィレム3世はオランダ軍を率いてイングランドに上陸。義理の父ジェームズ2世をフランスに追放した。イングランドでは1人の死者も出すことなく体制変革に成功したため、名誉革命と呼ばれている。
1689年2月にヴィレムはウィリアム3世として国王に即位し、女王となった妻メアリー2世とともにイングランドの共同統治者となった。当初、イングランド議会の意向はメアリーの単独統治であり、ヴィレムは女王の夫（王配）としてのみ遇されるはずであった。しかしヴィレムはそれに反発し、オランダ軍の撤収もちらつかせながら、チャールズ1世の外孫である自らも王位に就くことを望んだため、イングランドはウィリアム3世とメアリー2世を同格の君主として戴くことになった。
ここにおいて、これまで3度の英蘭戦争を戦ってきた両国は同君連合に近い形となった（オランダ統領は元首ではあっても君主とはいえないが、事実上オランダの君主と言える）。ウィリアム3世の治世中、イングランド軍の司令官にオランダ人が任命されたり、オランダ人がイギリス貴族に叙任されることもあった。
ウィリアム3世のイングランドは直ちにアウクスブルク同盟に参加した（この同盟は大同盟と呼ばれ、アウクスブルク同盟戦争は大同盟戦争とも呼ばれることになる）。これに対しルイ14世は、フランスに亡命したジェームズ2世を援助し、フランス軍を率いてアイルランドを制圧すると、ウィリアム3世は自ら軍を率いてアイルランドに渡り、ボインの戦いでジェームズ2世を破った。またスコットランドの反乱も鎮圧されると、今度は本国オランダに帰ってルイ14世と戦った。英仏の抗争は北アメリカにも拡大し、英領アメリカの植民地とフランス領カナダで戦争が行なわれた。これはウィリアム王戦争と呼ばれる。ウィリアム3世の生涯は、オランダに対するフランスの侵略と戦うことに費やされた。
ロンドンはメアリー2世が留守を預かっていたが、1694年にメアリー2世は天然痘で亡くなり、以後はウィリアム3世の単独統治となった。2人の間に子ができなかったので、イングランド王位の後継者はメアリーの妹アンと決まっていた。ウィリアム3世は1702年、乗馬中にモグラの穴に馬が脚を踏み入れたために落馬して重体となり、ケンジントン宮殿で死去し、アンが王位を継いだ。
一方、オラニエ＝ナッサウ家はウィレム3世の死によって男系が断絶するため、傍系のヨハン・ヴィレム・フリーゾが相続人に指名されていた。しかしウィレムが死去すると、オラニエ＝ナッサウ家の血を引くプロイセン王フリードリヒ1世が相続権を主張し、フランスもヨハン・ヴィレム・フリーゾの相続を報復的に妨害した。