Guillermo Federico fue el cuarto de los hijos del duque Federico II Eugenio de Wurtemberg y de su esposa, la margravina Federica de Brandeburgo-Schwedt.

Su hermano mayor era el rey Federico I de Wurtemberg.

El 23 de agosto de 1800 contrajo matrimonio en Coswig, Anhalt, con una de las damas de compañía de su madre, la baronesa Guillermina de Tunderfeld-Rhodis (1777-1822), hija del barón Carlos Augusto de Tunderfeld-Rhodis, descendiente de una familia noble de Suecia, originaria de la región del Báltico.

Fruto de este matrimonio nacieron seis hijos, de los cuales solo tres alcanzaron la edad adulta: Debido a este matrimonio morganático, el 1 de agosto de 1801 Guillermo renunció a sus derechos al trono de Wurtemberg para él y sus descendientes.

Este hecho tuvo sus efectos en 1921, cuando falleció el depuesto rey Guillermo II de Wurtemberg sin descendencia masculina, y los nietos de Guillermo no fueron tenidos en cuenta para sucederlo en sus reclamaciones a la corona de Wurtemberg.