生平
1824年5月1日威廉姆遜出生於英國倫敦。1840年他按照父親的願望進入海德堡大學學習醫學，參加了利奧波德·格梅林（Leopold Gmelin）的化學課程和弗里德里希·泰德曼的解剖學課程，但他漸漸希望成為一名化學家。1844年4月在格美林的幫助下，他到了吉森大學尤斯圖斯·馮·李比希的化學實驗室工作兩年。隨後他來到了巴黎，在他父親的老上司約翰·斯圖爾特·密爾推薦下，成為奧古斯特·孔德的家庭學生，主要學習高等數學。同時，他利用空餘時間在自己的住所進行有關醯胺的化學實驗。
1849年初威廉姆遜在巴黎結識了倫敦大學學院的化學教授托馬斯·格雷姆，格雷姆希望他來接替因病去世的喬治·佛恩斯的分析與套用化學教授職位。威廉姆遜的申請獲得了批准，當年十月起，他成為倫敦大學學院的套用化學教授。1850-1852年他發表了自己對醚類的合成反應的研究結果。1855年到1887年退休期間他擔任了該學院的化學系主任。1904年5月6日，威廉姆遜在位於英格蘭東南部薩里郡的欣德黑德村逝世，享年80歲。他的遺體埋葬在薩里郡的布魯克伍德公墓內。
化學研究
威廉姆遜的主要學術造詣在化學方面。1850-1852年間他系統地研究了醚的性質和合成方法。當時已經得知乙醇在硫酸的作用下發生反應可以生成乙醚，威廉姆遜使用乙醇鈉和一碘乙烷反應，也合成了乙醚的方法，即為現今廣為知曉的醇鈉與鹵代烷反應生成醚的“威廉姆遜合成”。對這一反應進行分析之後，威廉姆遜認為其機理是一碘乙烷中的乙基取代了醇鈉中的鈉，生成了醚。
根據對醚的合成的研究成果，威廉姆遜提出了“類型論”。他把水寫作以氧為中心的形式（H-O-H），也把乙醇（C2H5-O-H）乙醚(C2H5-O-C2H5)寫成類似的形式，認為乙醇是水中的一個氫被乙基取代，乙醚是兩個氫都被乙基取代的產物，從而把一些有機物歸結為水的類型，認為其兩端取代的基團不同導致了其化學性質不同，他們之間的轉化就是組成有機物的基團的互相交換，他套用這一理論解釋了在硫酸的作用下，乙醇可以生成乙醚這一反應，認為硫酸先與一分子乙醇發生基團的交換，生成的中間產物再與另一分子乙醇發生交換，最終生成乙醚，硫酸在產物中起催化作用，這是對催化機理的最早解釋之一。
榮譽
因威廉姆遜在化學方面的傑出貢獻，1862年，他被授予“皇家獎章”（Royal Medal），這是英國皇家學會的最高榮譽。1855年，他被選舉為英國皇家學會院士。1873年至1889年，威廉姆遜擔任英國皇家學會的涉外秘書。1863年至1865年和1869年至1871年，威廉姆遜二度擔任英國倫敦化學會會長。
長州五傑
長州五傑威廉姆遜是日本近代化先驅群體“長州五傑”的導師。1863年，五位日本學生（伊藤博文、山尾庸三、井上勝、井上馨、遠藤謹助）經中國上海偷渡來到英國倫敦，在倫敦大學學院學習近代科學技術。威廉姆遜即是他們的導師。這五位日本學生之後返回日本，為日本近代化作出了巨大貢獻，被稱為“長州五傑”。
這五位日本學生回到日本後都在政府中擔任重要職務，其中伊藤博文成為日本首位內閣總理大臣，山尾庸三被稱為日本的“工業之父”，井上勝被稱為日本的“鐵路之父”，井上馨歷任外務大臣、農商務大臣、內務大臣和大藏大臣，遠藤謹助曾擔任日本造幣局局長多年。
伊藤博文在倫敦大學學院留學期間曾經住宿在威廉姆遜家中。由於在英國學習生活經歷的影響，伊藤博文認為日本必須走上西化的道路。
