Guglielmo era figlio di Guglielmo II e della moglie Anna Pavlovna Romanova, figlia dello zar Paolo I di Russia. Dopo aver servito nell'esercito, nel 1839 sposò la prima cugina Sofia Federica di Württemberg, figlia di Guglielmo I di Württemberg e della granduchessa Caterina di Russia, sua zia materna. Il matrimonio fu infelice e molteplici scontri si ebbero sull'educazione dei figli: Sofia era una libera pensatrice ed odiava tutto ciò che era imposto e gerarchico, ad iniziare dall'esercito, mentre Guglielmo era più semplice, più conservatore ed amava i militari. Proibendo attività intellettuali in casa propria, venne definito dalla regina Vittoria del Regno Unito, che corrispondeva con Sofia, uno "zotico contadino"; le sue intense attività extraconiugali invece gli fecero meritare dal New York Times il titolo di "il più grande debosciato del secolo".
Un'altra causa di tensioni coniugali (e successivamente di problemi politici) era il suo carattere incostante e capriccioso: poteva infuriarsi contro qualcuno un giorno ed essere estremamente gentile ed amichevole il seguente.
Guglielmo avversò profondamente i mutamenti costituzionali del 1848 e favoriti da suo padre Guglielmo II e da Johan Rudolf Thorbecke: se Guglielmo II e la principessa Sofia li considerarono necessari alla sopravvivenza della monarchia, il principe ereditario li vide solo come delle limitazioni al potere reale, che gli avrebbero impedito di governare come suo nonno, Guglielmo I dei Paesi Bassi. Meditò quindi di cedere i propri diritti a suo fratello minore Enrico, ma la madre lo convinse a recedere: appena un anno dopo, nel 1849, l'improvvisa morte del padre lo fece essere il terzo sovrano dei Paesi Bassi.
Guglielmo III meditò ripetutamente di abdicare non appena suo figlio Guglielmo di Orange-Nassau fosse stato maggiorenne (cioè nel 1858), ma essendogli sempre difficile prendere una decisione, rimase re. Il suo primo atto fu l'inaugurazione del governo di Thorbecke, il liberale che aveva scritto la costituzione del 1848, che Guglielmo detestava. Quando la gerarchia cattolica dei vescovi venne ristabilita nel 1853, il sovrano trovò un utile pretesto per allontanarlo. Nelle prime due decadi del suo regno licenziò parecchi governi e sciolse molte volte gli Stati Generali, favorendo la creazione di governi regi che regolarmente cadevano di lì a poco, essendo privi di supporti in Parlamento. Provò anche a vendere il Granducato di Lussemburgo nel 1867: il tentativo quasi causò una guerra fra Prussia e Francia ma contribuì poi a rendere il Lussemburgo un paese del tutto indipendente.
Nel 1877 la moglie Sofia morì e terminarono anni di litigi nel palazzo reale. Nel 1879 Guglielmo III decise di sposare la principessa Emma di Waldeck e Pyrmont, proveniente da una case regnante minore germanica: ci fu stupore e contrarietà da parte di una parte del mondo politico perché la sposa aveva quarantuno anni meno dello sposo. Emma comunque si mostrò una donna alla mano e quando Guglielmo chiese il permesso al Parlamento (come prevedeva la Costituzione), questo fu accordato facilmente. Emma non era stata la sua prima scelta: precedentemente Guglielmo III era stato rifiutato dalla di lei sorella, la principessa Paolina di Waldeck-Pyrmont, dalla principessa Thyra di Danimarca (sorella della principessa del Galles (poi regina Alessandra del Regno Unito) e dalla imperatrice Maria Feodorovna di Russia.
d'azzurro seminato di plinti d'oro, caricato di un leone dorato, armato e lampassato di rosso, impugnante una spada di destra e sette frecce nella sinistra. Lo scudo è sormontato dalla corona regale olandese ed è sostenuto da due leoni come tenenti
Emma ebbe un'ottima influenza sulla personalità capricciosa ed incostante di Guglielmo III ed il matrimonio fu estremamente felice: l'ultima decade del regno fu senza dubbio la migliore. Nel 1880 nacque la principessa Guglielmina, divenuta erede al trono dopo la morte dell'ultimo figlio vivente della regina Sofia. Guglielmo III cadde seriamente ammalato nel 1887 e morì tre anni dopo. Poiché Guglielmina era minorenne, Emma fu reggente per la figlia fino al suo diciottesimo nel 1898.
Poiché il Granducato del Lussemburgo poteva essere ereditato soltanto tramite discendenza maschile, secondo la legge salica, divenne granduca Adolfo, ex duca di Nassau.