Wilhelm Maybach wurde am 9. Februar 1846 in Heilbronn geboren, wo er zusammen mit fünf Geschwistern aufwuchs. Sein Vater betrieb eine Schlosserei, die aber nicht genug Geld einbrachte. Er nahm daher eine Arbeit in Heilbronn an, bekam dort aber kein ständiges Wohnrecht. Die Geburt des Sohnes wurde standesamtlich eingetragen als „Wilhelm Maybach aus Löwenstein“. Da Maybachs Vater 1856, zwei Jahre nach dem Tod der Mutter, durch Freitod aus dem Leben schied, wuchs Maybach in einem Waisenhaus in Reutlingen auf.
In der dem Waisenhaus angeschlossenen Maschinenfabrik absolvierte Maybach von 1861-1865 eine Lehre als Technischer Zeichner und war dann dort, nach Beendigung seiner Ausbildung, als Detailkonstrukteur tätig. Im Alter von zehn Jahren wurde er Vollwaise. Im Reutlinger Bruderhaus ging er zur Schule. Der dortige Leiter und Gründer erkannte sehr früh die technische Begabung Maybachs und förderte ihn.
In Reutlingen lernte Maybach 1865 Gottlieb Daimler kennen und wurde dessen kongenialer lebenslanger Weggefährte. Gemeinsam mit Daimler arbeitete Maybach seit 1869 in Karlsruhe, danach wechselte er zu den Deutzer Motorenwerken. Dort begann er die Arbeit an einem leichten, schnelllaufenden Verbrennungsmotor, der für Fahrzeuge zu Wasser, zu Lande und in der Luft geeignet war. In den Deutz Gasmotorenwerken brachte Maybach den von Nicolaus Otto konstruierten Otto-Motor und den ebenfalls von Otto konstruierten Viertaktmotor im Jahr 1877 zur Serienreife. 1878 heiratete er Bertha Habermaas, die ihm 1879 seinen Sohn Karl und 1884 seinen Sohn Adolf zur Welt brachte.
Daimler verließ 1882 die Gasmotorenfabrik Deutz wegen Spannungen mit der Geschäftsleitung. Wilhelm Maybach folgte ihm nach Cannstatt, um dort die Idee seines leichten, schnelllaufenden Verbrennungsmotors zu verwirklichen. 1883 entwickelte er den ersten liegenden Versuchsmotor, dem die so genannte „Standuhr“ folgte, ein Motor mit stehendem Zylinder, der für den Einbau in Fahrzeuge geeignet war. 1885 wurde zunächst ein hölzernes Reitrad, im nächsten Jahr auch eine Kutsche mit dem neuen Motor ausgerüstet. 1885 wurde der luftgekühlte Einzylindermotor in den „Petrol-Reitwagen“, das erste Motorrad der Welt, umgebaut.
Die Erfindung, die aus seinen Bemühungen resultierte, war der Stahlradwagen. Mit diesem Fahrzeug fügte Maybach auch das Zahnradgetriebe in den Automobilbau ein. Auf der Pariser Weltausstellung von 1889 wurde Maybachs Konstruktion zum ersten Mal der Weltöffentlichkeit präsentiert. Damit gab Maybach den Anstoß zur Entstehung der Französischen Automobilindustrie.
Als Gottlieb Daimler 1890 mit Max Duttenhofer und Wilhelm Lorenz die Daimler-Motoren-Gesellschaft gründete, wurde Maybach zum Chefkonstrukteur. Aber bereits 1891 schied er wegen der für ihn ungünstigen Vertragsbedingungen aus der Firma aus. Maybach arbeitete eineinhalb Jahre als Konstrukteur in seiner Privatwohnung. 1892 begann er die von Daimler finanzierten Entwicklungsarbeiten, die so bedeutende Konstruktionen wie den Spritzdüsenvergaser und den Phönix-Motor sowie Detailverbesserungen des Riemen-Antriebs hervorbrachten.
Auf Wunsch des englischen Industriellen Frederick Simms übernahm Maybach 1895 wieder seine Tätigkeit als Technischer Direktor bei der DMG. Dort entwickelte er den Röhrenkühler mit Ventilator, später den Bienenwabenkühler. Sein Design für einen Vergaser war weitverbreitet und war Ursache eines Rechtsstreits über die Verletzung seines Patents. Als weitere technische Leistung entwarf der „König der Konstrukteure“, wie ihn die Franzosen nannten, den ersten Vierzylinder-Automobilmotor. In den Jahren 1895-96 konstruierte Maybach fünf neue Vierzylindermotoren von 6 bis 23 PS.
Auf Anregung von Emil Jellinek konstruierte Maybach nach Daimlers Tod im Jahr 1900 den 35 PS starken Vierzylinder-Rennwagen, der nach Jellineks Tochter "Mercedes" genannt wurde. 1903 konstruierte Maybach den 70 PS starken Sechszylinder-Mercedes und 1906 einen 120 PS starken Rennmotor. Für Ferdinand Graf Zeppelin konstruierte Maybach 1908 gemeinsam mit seinem Sohn Karl Luftschiffmotoren. Die "Motorenbau GmbH", eine Tochtergesellschaft der "Luftschiffbau Zeppelin GmbH", wurde 1909 unter der Leitung seines Sohnes Karl gegründet. Maybach selbst wurde technischer Berater. 1915 wurde Maybach zum Oberbaurat ernannt, 1916 verlieh ihm die Technische Hochschule in Stuttgart die Ehrendoktorwürde. Automobile, die das Maybach-Zeichen trugen, wurden von 1922 bis 1939 produziert.
Heute ist die Marke Maybach bei Daimler Chrysler angesiedelt. Er ist auch namensgebend für die Wilhelm-Maybach-Schule in Heilbronn, welche ein Technisches Schulzentrum für Aus- und Weiterbildung ist und insbesondere in den Bereichen Fertigungs- Metall- Kraftfahrzeug- und Elektrotechnik tätig ist.
Wilhelm Maybach starb am 29.12.1929 in Stuttgart und wurde in der unmittelbarer Nähe von Gottlieb Daimler beerdigt.
