1824年5月1日威廉姆遜出生于英國倫敦。1840年他按照父親的愿望進入海德堡大學學習醫(yī)學，參加了利奧波德·格梅林（Leopold Gmelin）的化學課程和弗里德里�！ぬ┑侣�的解剖學課程，但他漸漸希望成為一名化學家。1844年4月在格美林的幫助下，他到了吉森大學尤斯圖斯·馮·李比希的化學實驗室工作兩年。隨后他來到了巴黎，在他父親的老上司約翰·斯圖爾特·密爾推薦下，成為奧古斯特·孔德的家庭學生，主要學習高等數(shù)學。同時，他利用空余時間在自己的住所進行有關(guān)酰胺的化學實驗。

1849年初威廉姆遜在巴黎結(jié)識了倫敦大學學院的化學教授托馬斯·格雷姆，格雷姆希望他來接替因病去世的喬治·佛恩斯的分析與應(yīng)用化學教授職位。威廉姆遜的申請獲得了批準，當年十月起，他成為倫敦大學學院的應(yīng)用化學教授。1850-1852年他發(fā)表了自己對醚類的合成反應(yīng)的研究結(jié)果。1855年到1887年退休期間他擔任了該學院的化學系主任。1904年5月6日，威廉姆遜在位于英格蘭東南部薩里郡的欣德黑德村逝世，享年80歲。他的遺體埋葬在薩里郡的布魯克伍德公墓內(nèi)。

威廉姆遜的主要學術(shù)造詣在化學方面。1850-1852年間他系統(tǒng)地研究了醚的性質(zhì)和合成方法。當時已經(jīng)得知乙醇在硫酸的作用下發(fā)生反應(yīng)可以生成乙醚，威廉姆遜使用乙醇鈉和一碘乙烷反應(yīng)，也合成了乙醚的方法，即為現(xiàn)今廣為知曉的醇鈉與鹵代烷反應(yīng)生成醚的“威廉姆遜合成”。對這一反應(yīng)進行分析之后，威廉姆遜認為其機理是一碘乙烷中的乙基取代了醇鈉中的鈉，生成了醚。

根據(jù)對醚的合成的研究成果，威廉姆遜提出了“類型論”。他把水寫作以氧為中心的形式（H-O-H），也把乙醇（C2H5-O-H）乙醚(C2H5-O-C2H5)寫成類似的形式，認為乙醇是水中的一個氫被乙基取代，乙醚是兩個氫都被乙基取代的產(chǎn)物，從而把一些有機物歸結(jié)為水的類型，認為其兩端取代的基團不同導致了其化學性質(zhì)不同，他們之間的轉(zhuǎn)化就是組成有機物的基團的互相交換，他應(yīng)用這一理論解釋了在硫酸的作用下，乙醇可以生成乙醚這一反應(yīng)，認為硫酸先與一分子乙醇發(fā)生基團的交換，生成的中間產(chǎn)物再與另一分子乙醇發(fā)生交換，最終生成乙醚，硫酸在產(chǎn)物中起催化作用，這是對催化機理的最早解釋之一。

因威廉姆遜在化學方面的杰出貢獻，1862年，他被授予“皇家獎?wù)隆保≧oyal Medal），這是英國皇家學會的最高榮譽。1855年，他被選舉為英國皇家學會院士。1873年至1889年，威廉姆遜擔任英國皇家學會的涉外秘書。1863年至1865年和1869年至1871年，威廉姆遜二度擔任英國倫敦化學會會長。

威廉姆遜是日本近代化先驅(qū)群體“長州五杰”的導師。1863年，五位日本學生（伊藤博文、山尾庸三、井上勝、井上馨、遠藤謹助）經(jīng)中國上海偷渡來到英國倫敦，在倫敦大學學院學習近代科學技術(shù)。威廉姆遜即是他們的導師。這五位日本學生之后返回日本，為日本近代化作出了巨大貢獻，被稱為“長州五杰”。

這五位日本學生回到日本后都在政府中擔任重要職務(wù)，其中伊藤博文成為日本首位內(nèi)閣總理大臣，山尾庸三被稱為日本的“工業(yè)之父”，井上勝被稱為日本的“鐵路之父”，井上馨歷任外務(wù)大臣、農(nóng)商務(wù)大臣、內(nèi)務(wù)大臣和大藏大臣，遠藤謹助曾擔任日本造幣局局長多年。

伊藤博文在倫敦大學學院留學期間曾經(jīng)住宿在威廉姆遜家中。由于在英國學習生活經(jīng)歷的影響，伊藤博文認為日本必須走上西化的道路。