Виллем младший был сыном Виллема ван де Вельде старшего, который являлся его учителем в Амстердаме. С 1650 года он также обучался у Симона де Влигера, продолжая совершенствовать свои навыки в живописи, как и его брат Адриан ван де Вельде.
Виллем ван де Вельде работал и жил вместе со своей семьей в Амстердаме. Он дважды женился, первый раз в 1652 году на Петронелле ле Майр, родом из Веепа, но впоследствии развелся с ней. В то время он проживал в Бюйтенканте, возможно, с видом на гавань и Адмиралтейство. С 1655 года одним из его соседей стал адмирал Михил де Рейтер. В 1656 году художник вступил в брак с Магдаленой Вальравенс, дочерью шкипера. У супругов родилось четверо детей, причем последний был крещен в Зейдеркерке (южной церкви) в 1674 году.
В 1672 году, в начале Третьей Англо-Голландской войны, экономический крах, вызванный французским вторжением, побудил Виллема ван де Вельде и его отца переехать в Лондон и занять должности при Английском короле Карле II. После смерти Карла II в 1685 году он вернулся в Нидерланды, но вскоре был призван на службу в Англию Королем Яковом II, который стал его новым благодетелем. Сначала Виллем ван де Вельде проживал в королевском дворце в Гринвиче, а в 1691 году переехал в Вестминстер. Художник скончался 6 апреля 1707 года в Вестминстере и был захоронен в церкви Сент-Джеймс на Пикадилли. В церкви находится мемориал ему и его отцу.
