Wilhelm là con trai trưởng của Bá tước Constantin zu Stolberg-Wernigerode (1779 – 1817) và xuất thân trong gia tộc bá tước Stolberg-Wernigerode. Trong số những người cha đỡ đầu của ông là nhà văn và quản thủ thư viện Lorenz Benzler, cùng với nhà truyền giáo cung đình và giáo hạt trưởng (Superintendent) Johann Friedrich Schmid.
Vào ngày 11 tháng 11 năm 1835, tại Roßla, ông thành hôn với Nữ Bá tước (Gräfin) Elisabeth zu Stolberg-Roßla. Bà Elisabeth mất tại Dresden, trước ông hai năm. Cuộc hôn nhân kéo dài suốt 61 năm này đã mang lại cho họ 14 người con, trong đó có Bá tước kế thừa (Erbgraf) Constantin zu Stolberg-Wernigerode (1843 – 1905), một nhà chính trị, đã từng có thời gian làm Chủ tịch Tòa án Tối cao tỉnh Hannover của Phổ.