威廉·卡尔·保罗·海因里希·弗里德里希于1848年2月25日出生在符腾堡王国斯图加特，他是符腾堡国王弗里德里希一世的孙子弗里德里希王子（保罗王子之子）和符腾堡国王威廉一世的女儿卡塔琳娜公主的儿子。威廉父母是堂兄妹，他是他们唯一的孩子。

威廉在蒂宾根大学和哥廷根大学学习法律、政治和金融，还曾在普鲁士军队服役。由于他的舅舅卡尔一世没有孩子，威廉从小就盼望自己有一天能成为国王。在威廉成长的岁月里，符腾堡的主权和国际地位随着德国统一进程而逐渐削弱。1870年，符腾堡在德法战争中站在了普鲁士一边。1871年，符腾堡成为德意志帝国的一个州，主权受到极大限制。

1877年2月15日，威廉和瓦尔代克-皮尔蒙特的玛丽公主结婚，她是瓦尔代克-皮尔蒙特亲王格奥尔格·维克托和拿骚-魏尔堡的海伦妮公主的第三个女儿。两人有两个孩子，玛丽在生下一个死产女儿引发的并发症后于1882年4月30日去世，而且两人的儿子也夭折了，大多数人的说法威廉悲痛欲绝，未从这两次打击中完全恢复过来。然而威廉只剩下一个女儿，他需要男性继承人并很快第二次结婚。1886年4月8日，威廉与绍姆堡-利珀的夏洛特公主结婚，遗憾的是他们这段婚姻没有孩子。