Вілем ван Хонтхорст нарадзіўся ў 1594 годзе ў горадзе Утрэхце. Як і яго старэйшы брат Герыт, пачаў спасцігаць мастацтва малявання ў свайго бацькі Германа ван Хонтхорста (дэкаратара па прафесіі), які даваў хлопчыкам урокі сумесна з Абрахамам Блумартам.
Пакінуўшы бацькоўскі дом жыў у горадзе Гаазе, дзе ажаніўся ў 1643 годзе. Як і Герыт, ён стаў вядомы як адзін з лепшых паслядоўнікаў Караваджа і набыў славу аднаго з найбольш яркіх партрэтыстаў эпохі.
З 1647 па 1664 год быў прыдворным мастаком у Берліне ў графіні Луізы Генрыэты, дачкі Фрыдэрыка-Генрыха Аранскага і жонкі курфюрста Брандэнбурга Фрыдрыха Вільгельма Першага.
Вілем ван Хонтхорст памёр 19 лютага 1666 года ў родным горадзе.