Troisième des six enfants d'Isaac Herschel, William est initié très jeune à la musique. En 1773, il joint l'orchestre de son père comme hautboïste. En 1756, l'orchestre effectue un voyage en Angleterre, et William est du voyage. Il y apprend la langue et se fait des amis qui l'aideront plus tard. En 1757, Hanovre est occupée par l'armée française; William s'enfuit en Angleterre avec son père Jacob. Il réussit tout d'abord à subsister en copiant de la musique. Les choses vont très bien puisqu'il commence bientôt à enseigner, à composer, à jouer et à diriger des orchestres. En 1766, il s'installe à Bath, après y avoir été nommé organiste. À cette époque, suite à différentes lectures scientifiques, son intérêt se porte vers l'optique. En 1772, lorsque sa sœur Caroline le rejoint, il est devenu passionné par l'astronomie. Dès l'année suivante, il loue des télescopes et en assemble d'autres. Les résultats ne le satisfaisant pas, il décide, à l'automne de 1773, d'acheter un équipement usagé de polissage de miroir; il commence à polir lui-même ses miroirs. Désormais, il n'utilisera plus que des télescopes réflecteurs de sa propre fabrication. Après quelques années d'observations décevantes, il décide d'étudier les étoiles lointaines et les nébuleuses pour comprendre le " fonctionnement des cieux ". Rapidement, il éprouve le besoin de télescopes plus grands et plus puissants. En 1782, il a acquis une excellente technique et ses instruments sont de qualité supérieure à ceux de l'Observatoire royal de Greenwich. La perfection de ses télescopes tient au polissage minutieux des miroirs de métal, mais ses montures ne sont pas de la qualité de ses miroirs. Il entreprend l'étude de toutes les étoiles plus brillantes que celle de magnitude 4. En 1779, il termine ce premier relevé pour en entreprendre un deuxième sur les étoiles doubles.

En mars 1781, il remarque un objet étrange et diffus qu'il sait ne pas être un étoile ordinaire. Il croit que c'est une comète, communique sa découverte à la Bath Philosophical Society et un ami la communique à la Royal Society. D'autres observations révèlent que c'est une nouvelle planète: Uranus.

Cette découverte s'avère un point tournant dans la vie de Herschel. Jusqu'alors inconnu - il a travaillé en solitaire à Bath - maintenant son nom circule partout en Europe et la Royal Society lui décerne la médaille Copley. En 1782, le roi George III décide de lui allouer une pension de 200 lires par an, sa fonction consistant à expliquer, de temps à autre, le ciel à la famille royale. En 1786, il s'installe à Slough avec sa sœur. Sa pension et celle de Caroline étant à peine suffisantes pour leurs besoins, ils fabriquent des télescopes et les vendent. Cette entreprise les amène à faire de très nombreuses expériences sur le polissage et à essayer de nouveaux matériaux. Ils acquièrent ainsi l'expérience nécessaire pour venir à bout, en 1789 après quatre ans de travail, d'un télescope de 12 mètres de longueur focale et de 1,2 mètres d'ouverture.

Une inclinaison légère de miroir primaire permet de recevoir le faisceau du primaire sans miroir secondaire; la luminosité est accrue. William découvre aussitôt un sixième satellites à Saturne et, deux jours plus tard, un septième.

En octobre 1783, il délaisse les étoiles doubles ( il en publie un catalogue, en 1782, un autre, en 1785 ) pour se consacrer aux objets diffus catalogués par le Français Charles Messier. En 20 ans, il porte le nombre de ces objets - qui regroupent nébuleuses, amas et galaxies - de 100 à 2 500.

En 1786, un de ses voisins meurt, laissant une jeune veuve. Jusqu'alors, Herschel n'avait apparemment jamais pensé au mariage. Mais en mai 1788, il épouse, à l'âge de 50 ans, cette jeune veuve, Mary Pitt. Pour Caroline, sa sœur, c'est un coup dur, mais elle est conquise par la gentillesse de Mary. La routine quotidienne reprend son cours, mais entrecoupée de vacances plus fréquentes et moins affectée de tracas d'argent. En 1792, un fils naît: John Frederick.

Avec les années, Herschel commence à ressentir la fatigue de son labeur incessant. Même malade, il continue le polissage de ses miroirs et ses observations; il élabore des théories astronomiques, dont certaines plutôt farfelues, comme l'existence d'êtres vivants et intelligents à l'intérieur du Soleil. En 1816, il est fait chevalier par la reine Anne ; John devient son assistant. Il meurt à l'Observatory House à Slough, en 1822.