Astronomo e musicista germano-britannico, iniziò a seguire le orme del padre come musicista e nel 1757, a seguito della guerra dei sette anni, si trasferì assieme al fratello Jacob in Inghilterra. Qui fu un apprezzato musicista suonatore di oboe e violino nonché insegnante di musica.
Intanto si appassionò all'astronomia e con la sorella Carolina (1750-1848), che lo aveva raggiunto nel 1772, si dedicò alle osservazioni del cielo e alla costruzione di raffinati telescopi a specchio.
Nel 1781 i fratelli Herschel scoprirono il pianeta Urano; il re Giorgio III, appassionato di astronomia, l'anno successivo, assunse William come astronomo personale.
Dal 1786 gli Herschel vissero a Slough: qui William compilò il catalogo delle 100 nebulose di Charles Messier (1730-1817), scoprì due satelliti di Urano e due di Saturno e diede spiegazione dell'aspetto della Via Lattea; Carolina scoprì molte nebulose e preparò un catalogo di 2500 tra stelle e nebulose che le valse nel 1828 la medaglia d'oro della Royal Astronomical Society.
Ad Herschel spetta infine la scoperta dei raggi infrarossi, compiuta con un ingegnoso esperimento eseguito nel 1800.