Вильгельм Кюхельбекер родился 10 (21) июня в Петербурге, в семье обрусевших немцев-дворян.
Отец – статский советник Карл Кюхельбекер (28 декабря 1748 – 6 марта 1809), саксонский дворянин, агроном, первый директор Павловска (1781-1789).
Мать – Юстина Яковлевна Ломен (Lohmen) (20 марта 1757 – 26 марта 1841).
Младший брат – Михаил Карлович Кюхельбекер.
Старшая сестра – Устинья Карловна Глинка (1786-1871).
Его детство прошло в Лифляндии, на берегу реки Авенорм. В 1808 году поступил в частный пансион в городе Верро (Эстляндия), который закончил с серебряной медалью. В 1811 году был принят в Императорский Царскосельский лицей (лицейские прозвища – “Кюхля”, “Гезель”, “Бехеркюхель”) воспитанником первого курса. Товарищ А. С. Пушкина по Лицею. Рано проявил интерес к поэзии и начал печататься в 1815 году в журналах “Амфион” и “Сын Отечества”. Окончил лицей в 1817 году с чином IX класса. На выпускном акте 9 июня 1817 года удостоен серебряной медали за успехи и ученость.
По окончании Лицея в 1817 году зачислен вместе с А. С. Пушкиным в Коллегию иностранных дел. С 1817 по 1820 год преподавал русский и латинский языки в Благородном пансионе при Главном Педагогическом институте, где среди его учеников были Михаил Глинка и младший брат А. С. Пушкина, Лев. 9 августа 1820 года вышел в отставку. 8 сентября выехал за границу в должности секретаря обер-камергера А. Л. Нарышкина. Побывал в Германии и Южной Франции. В марте 1821 года приехал в Париж, где читал публичные лекции о славянском языке и русской литературе в антимонархическом обществе “Атеней”. Лекции были прекращены из-за их “вольнолюбия” по требованию русского посольства. Кюхельбекер вернулся в Россию.
С конца 1821 года до мая 1822 годах служил чиновником особых поручений при генерале Ермолове на Кавказе, где сошелся с Грибоедовым.
После дуэли вышел в отставку и вернулся в Россию.
После отставки год прожил в имении своей сестры в Смоленской губернии. 30 июля 1823 года переехал в Москву. Преподавал в женском пансионе Кистера, давал частные уроки.
В апреле 1825 года переехал в Санкт-Петербург. Жил у своего брата Михаила Карловича, а с октября 1825 года у князя А. И. Одоевского.
С 1817 года член тайной преддекабристской организации “Священная артель”. За две недели до восстания 14 декабря 1825 г. был введен Рылеевым в Северное общество. Был на Сенатской площади с восставшими, покушался на брата царя (великого князя Михаила Павловича). После поражения восставших предпринял побег за границу, но был опознан и арестован 19 января 1826 года в Варшаве.
25 января доставлен в Санкт-Петербург в кандалах. Помещен в Петропавловскую крепость 26 января 1826 года.
Осужден по I разряду 10 июля 1826 года. Приговорен к каторжным работам сроком на 20 лет. 27 июля 1826 года переведен в Кексгольмскую крепость.
22 августа 1826 года срок каторги был сокращен до 15 лет. 30 апреля 1827 года переведен в Шлиссельбургскую крепость. 12 октября 1827 года по указу царя вместо Сибири отправлен в арестантские роты при Динабургской крепости (ныне в Даугавпилсе, Латвия). 15 апреля 1831 года Кюхельбекер был отправлен в Ревель через Ригу. Из Ревеля 7 октября 1831 года отправлен в Свеаборг.
По указу от 14 декабря 1835 года определен на поселение в заштатный город Баргузин Иркутской губернии (ныне село Баргузин Баргузинского района Бурятии).
Прибыл в Баргузин 20 января 1836 года. В Баргузине уже жил его младший брат – Кюхельбекер, Михаил Карлович. Братья Кюхельбекеры завели большое хозяйство, выращивали новые для Сибири сельскохозяйственные культуры. Михаил Карлович открыл в своем доме для местных жителей бесплатную школу. По предположениям В. Б. Бахаева, Вильгельм Карлович преподавал в этой школе.
Продолжал заниматься литературной деятельностью: писал стихотворения, поэмы, элегии, критические статьи, переводил с европейских и древних языков, завершил “Дневник”, этнографический очерк “Жители Забайкалья и Закаменья”, поэму “Юрий и Ксения”, историческую драму “Падение дома Шуйского”, роман “Последний Колонна” и другие. В письме Пушкину сообщил интересные наблюдения о тунгусах.
15 января 1837 года женился на дочери баргузинского почтмейстера Дросиде Ивановне Артеновой (1817-1886).
Дети: Федор (родился мертвым – 12.6.1838), Михаил (28.7.1839 – 22.12.1879), Иван (21.12.1840 – 27.3.1842) и Юстина (Устинья, родилась 6.3.1843) в замужестве Косова.
По собственной просьбе был переведен в Акшинскую крепость. Выехал из Баргузина в январе 1840 года. В Акше давал частные уроки. В 1844 году получил разрешение на переезд в деревню Смолино Курганского округа. 2 сентября 1844 года выехал из Акши.
Жил в Кургане, где потерял зрение. 28 января 1846 года Кюхельбекеру было разрешено выехать в Тобольск на лечение. Прибыл в Тобольск 7 марта 1846 года.
Вильгельм Карлович умер в Тобольске 11 (23) августа от чахотки. Похоронен на Завальном кладбище.
С 1815 года Кюхельбекер публикует стихи в разных журналах, с 1823 года по 1825 год издает с В. Ф. Одоевским альманах “Мнемозина”. В начале 20-х годов активно выступает против сентиментализма. Его перу принадлежат следующие сочинения: трагедия “Аргивяне” (1822-1825), “Смерть Байрона” (М. 1824), “Шекспировы духи” (1825), “Ижорский” (1825), отрывки из дневника и поэма “Вечный жид”.
Кюхельбекер был сотрудником Вольного общества любителей российской словесности с 10 ноября 1819 года, и действительным членом общества с 3 января 1820 года.