Friedrich Wilhelm Herschel néven született a németországi Hannoverben, egy tízgyermekes családba. 1755-ben a hannoveri hadseregben szolgált és Nagy-Britanniába vezényelték, mivel a két országnak akkoriban közös uralkodója volt II. György király személyében. Herschel hamar megtanult angolul, megváltoztatta a nevét Frederick William Herschelre és Angliában telepedett le.

Kezdetben, mint zenetanár tevékenykedett és számos zeneművet is szerzett de ezek többsége nem maradt fenn. Bath városában élt hosszabb ideig, és húga, Caroline Herschel is hozzáköltözött, aki később asszisztensként segítette testvérét, de önálló csillagászati megfigyeléseket is végzett; különösen üstökös-kutatást.

William 1773 után kezdett a csillagászat iránt érdeklődni; saját kezűleg készítette távcsöveit, majd először a Holdon levő hegyek magasságainak mérésével és egy kettőscsillagokat tartalmazó katalógus összeállításával foglalkozott.

A fordulópontot az jelentette életében amikor 1781. március 13-án felfedezte az Uránusz bolygót a bathi, New King Street 19. szám alatti házának udvaráról. Ez a felfedezés hírnevet és elismerést hozott számára, ami lehetővé tette, hogy a továbbiakban főállású csillagászként dolgozzon. Az új bolygót először Georgium Sidus-nak nevezte el támogatója, III. György király tiszteletére, de ez a név nem terjedt el a világ többi részén. Johann Elert Bode német csillagász javasolta az Uránusz elnevezést a csillagászat görög múzsája, Uránia tiszteletére.

Az Uránusz felfedezését követően Herschelt 1781. december 7-én a Royal Society tagjai közé választották, és a Társaság legnagyobb elismerését jelentő Copley-éremmel is kitüntették. Nyolc hónappal később III. György király 200 font évjáradékot adományozott neki, amelyért cserébe a királyi családnak – azok igénye szerint – távcsöves bemutatást kellett tartania. 1782-ben Datchetbe, 1786-ban pedig Sloughba költözött, ahol hátralevő életét leélte. 1788. május 7-én feleségül vett egy Mary Pitt nevű lányt; egy fiuk született, 1792-ben: John, aki a déli égbolt tanulmányozásával szerzett hírnevet.

A 40 láb hosszú távcső

Herschel a csillagászat mellett továbbra is foglalkozott távcsövek készítésével; akkoriban csúcsminőségűnek számító eszközei keresettek voltak a csillagászok körében. Élete során több mint 400 távcsövet készített; a leghíresebb egy 40 láb (12 m) fókusztávolságú és 126 cm átmérőjű főtükörrel rendelkező reflektor, amely kor legnagyobb ilyen eszköze volt. Már a használatának első éjszakáján felfedezett vele egy új Szaturnusz-holdat, majd egy hónapon belül még egyet. De ezt a távcsövet a nagy mérete miatt nehéz volt kezelni, ezért a legtöbb megfigyelést kisebb eszközökkel végezte.

1816-ban munkássága elismeréseként lovaggá ütötték, és fontos szerepet játszott a Royal Astronomical Society elődjének a megalapításában.

1822-ben hunyt el, a csillagvizsgálóként is használt otthonában. Bathi háza, ahonnan az Uránuszt felfedezte, jelenleg a nevét viselő múzeumnak ad otthont

Pályafutása során az Uránuszon kívül felfedezte annak két holdját, a Titaniát és az Oberont, valamint Szaturnusz két holdját; a Mimast és az Enceladust is. Herschel nem nevezte el őket, a neveiket a fia, John Herschel adta nekik 1852-ben és 1847-ben.