Wilhelm Grimm wurde als zweitältestes Kind am 24. Februar 1786 in Hanau geboren. Seine Eltern sind der Jurist Philipp Wilhelm und dessen Frau Dorothea Grimm. Wie seinen Bruder Jacob schickte ihn die Mutter aufgrund ihrer schlechten wirtschaftlichen Lage zu einer Tante nach Kassel, wo sie gemeinsam das Friedrichsgymnasium besuchten. 1803 begann Wilhelm das Studium der Rechtswissenschaft in Marburg, wo er bei Friedrich Carl von Savigny Jura studierte und das er 1806 mit dem juristischen Examen beendete. Asthmatische Beschwerden sowie eine Herzerkrankung hinderten ihn daran, sich um eine feste Anstellung zu bewerben. In dieser Zeit begannen beide zusammen mit dem Sammeln von Märchen und Sagen.
1809 arbeitete Wilhelm in Halle, Berlin und Weimar. In Kassel war er als Privatgelehrter tätig. Wilhelm Grimm übersetzte 1811 altdänische Heldenlieder, Balladen und Märchen. In der Kasseler Zeit organisierte er zwischen 1810 und 1813 auch das „Freitagskränzchen“ – eine Lesegesellschaft, von der die Brüder viel profitierten, als sie begannen, nach Märchen zu suchen. 1812 wurde der erste Band der gemeinschaftlichen Arbeit der Brüder "Kinder- und Hausmärchen" herausgegeben. Dabei beschränkte sich ihre Arbeit nicht nur auf das Sammeln. Dass diese Märchen so wirken, als wären sie eben aufgezeichnet worden, und dass sie einen einheitlichen Ton erhielten, ist wesentlich der Bearbeitungskunst Wilhelms zu verdanken.
Der zweite Teil wurde, auch als Gemeinschaftsarbeit, im Jahr 1815 fertig gestellt. Mit Clemens Brentano reiste Wilhelm nach Berlin; dort lebte er mit Brentano und mit Achim von Arnim in dessen Wohnung. Auf der Rückreise nach Kassel traf er Goethe, der sich lobend über seine „Bemühungen zu Gunsten einer lang vergessenen Kultur“ äußerte. 1814 wurde Wilhelm Bibliothekssekretär an der Kurfürstlichen Bibliothek in Kassel, auch sein Bruder erhielt zwei Jahre später dort eine Anstellung.
Im Jahr 1815 unternahm Wilhelm Grimm eine Reise an den Rhein. Ein Jahr später erschien der erste Teil der Gemeinschaftsarbeit "Deutsche Sagen", der zweite Teil folgte 1818. Diese Bücher erreichten aber nie die Popularität der Sammlung von "Kinder-und Hausmärchen". Zusammen erhielten sie die Ehrendoktorwürde der Universität Marburg. 1825 heiratete Wilhelm Henriette Dorothea Wild und drei Jahre später wurde der Sohn Hermann geboren, der später an der Universität Berlin Kunst- und Literaturgeschichte lehren wird. Ein Jahr darauf erschien "Die Deutsche Heldensage". Beide Brüder kündigten den Bibliothekarsdienst in Hessen und gingen nach Göttingen. Während Jacob Grimm dort 1830 Professor und Bibliothekar an der Georgia-Augustina-Universität wurde, arbeitete Wilhelm Grimm zunächst als Bibliothekar. Ein Jahr später wurde Wilhelm Grimm zum außerordentlichen Professor ernannt. Im Jahr 1835 wurde Wilhelm ordentlicher Professor an der Göttinger Universität, 1837 beteiligte er sich wie sein Bruder Jacob an dem Protest gegen die eigenmächtige und unrechtmäßige Verfassungsaufhebung durch König Ernst August II. von Hannover. Beide wurden fristlos entlassen und des Landes verwiesen.
Die Protestaktion wurde in ganz Deutschland bekannt unter der Bezeichnung "Die Göttinger Sieben". Beide Brüder gingen 1838 in das hessische Kassel zurück. Dort entstand auch der gemeinsame Plan zum "Deutschen Wörterbuch". Der preußische König Friedrich Wilhelm IV. lud beide 1841 nach Berlin ein, wo sie sich niederließen. In demselben Jahr wurden sie Mitglieder der Preußischen Akademie der Wissenschaften. Ab 1841 lehrten beide an der Berliner Universität. 1852 gab Wilhelm Grimm seine Lehrtätigkeit dort auf. Vier Jahre zuvor quittierte sein älterer Bruder Jacob den Universitätsdienst. Beide wollten sich ihrer Forschungsarbeit widmen.
Als Wilhelm 1846 auf dem ersten Germanisten-Tag in Frankfurt am Main über die Fortschritte der Vorarbeiten am „Wörterbuch“ berichtete, sprach er von dem Ziel, den Reichtum der deutschen Sprache wieder sichtbar zu machen. Im Jahr 1854 erschien der erste Teil des "Deutschen Wörterbuches", der zweite und dritte Teil waren 1860 und 1862 fertig. Als Wilhelm Jahren 1859 in Berlin starb, hatte er gerade den Buchstaben D bearbeitet, Jacob starb 1863 über dem F. Das Projekt ging noch durch viele Hände, bis es 1960 komplett mit 32 Bänden fertig gestellt war. In Fragen der Etymologie ist es bis heute konkurrenzlos. Durch seine Mitarbeit am "Deutschen Wörterbuch" trug Wilhelm Grimm bedeutend zu einer Vereinheitlichung der deutschen Sprache bei.
Neben der gemeinsamen Arbeit mit dem Bruder konzentrierte sich Wilhelm Grimm bei seinen Forschungen auf die Poesie des Mittelalters. Zusammen mit seinem Bruder begründete er die germanischen Altertumswissenschaften, die germanische Sprachwissenschaft und die deutsche Philologie. Wilhelm Grimm veröffentlichte auch Altdänische Heldenlieder, Balladen und Märchen.
Wilhelm Grimm starb am 16. Dezember 1859 in Berlin. Er wurde auf dem alten St.-Matthäus-Kirchhof in Berlin-Schöneberg bestattet.
