Książę Wilhelm był synem księcia Eugeniusza Wirtemberskiego (1788–1857) i jego drugiej żony, Heleny, księżniczki Hohenlohe-Langenburg (1807–1880), córki księcia Karola Ludwika Hohenlohe-Langenburg (1762–1825) i jego żony Amalii zu Solms-Baruth (1768−1847). Miał sześcioro rodzeństwa. Starszy brat Eugeniusz (1820–1875) był komendantem 1 Westfalskiego Regimentu Husarii Nr 8. Młodsza siostra Agnieszka poślubiła w Pokoju panującego księcia Henryka XIV von Reuss młodszej linii.
W 1883 Wilhelm Wirtemberski został komendantem 11 Korpusu i generałem dowodzącym we Lwowie, a w 1889 komendantem 3 Korpusu i generałem dowodzącym w Grazu. 10 października 1891 został urlopowany[1].
W 1877 umarł jego bratanek Wilhelm Eugeniusz Wirtemberski nie pozostawiając po sobie męskiego potomka. Wilhelm został właścicielem dóbr w Pokoju. Wilhelm Wirtemberski nie był żonaty i nie posiadał dzieci. Był niewielkiego wzrostu. Konsekwencje obrażeń wojennych i wypadku samochodowego we Włoszech miały niewątpliwy wpływ na jego zdrowie. Zmarł podczas rekreacyjnego wypoczynku w Tyrolu. Po jego śmierci dobra odziedziczył najmłodszy syn Eugeniusza Wirtemberskiego – Mikołaj.
Rościsław Żerelik w: Sönke Lorenz, Dieter Mertens, Volker Press (Hrsg.): Das Haus Württemberg. Ein biographisches Lexikon. Kohlhammer, Stuttgart 1997, ISBN 3-17-013605-4, ss. 370–371
FrankF.RabergFrankF., Biographisches Handbuch der württembergischen Landtagsabgeordneten 1815–1933. Im Auftrag der Kommission für geschichtliche Landeskunde in Baden-Württemberg, Stuttgart: Kohlhammer, 2001, s. 1051, ISBN 3-17-016604-2, OCLC237310163.
Franz Ilwof, Wilhelm Nicolaus, Herzog von Württemberg. In: Allgemeine Deutsche Biographie (ADB). Band 43, Duncker & Humblot, Leipzig 1898, ss. 213–218.
Constantin von Wurzbach: Württemberg, Wilhelm Nicolaus Herzog von, In: Biographisches Lexikon des Kaiserthums Oesterreich, Band 58 (1889), Verlag L.C. Zamarski, Wien 1856–1891, ss. 253–258 (online auf literature.at)
Antonio Schmidt-Brentano: Die k. k. bzw. k. u. k. Generalität 1816-1918. Wiedeń: Austriackie Archiwum Państwowe, 2007.