שנת 1672 הייתה הרת אסון עבור ארצות השפלה, ונודעה כ"שנת האסון". צרפת, תחת לואי הארבעה עשר, פלשה לארצות השפלה, תוך הסתייעות באנגלים. הצבא הצרפתי הגדול כבש את רוב ארצות השפלה במהירות, אם כי הולנד הצליחה להישמר מהכיבוש הזה. דה וויט נכשל בניסיונו להשיג שלום עם צרפת, והוא הופל, כשלאחר מכן הוא ואחיו, קורנליס דה וויט, נרצחו באכזריות על ידי המון זועם בהאג. כיום, רוב ההיסטריונים מעריכים כי ידו של ויליאם הייתה מעורבת ברצח. הניצחון עבור מפלגת אוראנז' היה מושלם; "הצו הנצחי" הוכרז כחסר ערך, וויליאם נבחר לסטאדהאודר של הולנד, זלנד ואוטרכט. הוא גם מונה לקפטן-גנרל ואדמירל-גנרל של ארצות השפלה. חלדרלנד ואוברייסל, שבהם כבר שלט קרוב משפחה של ויליאם כסטאדהאודר, לא בחרו את ויליאם לתפקיד עד 1675.
ויליאם השלישי המשיך להילחם בפולשים מאנגליה ומצרפת, ואחרי כן כרת ברית עם ספרד. הוא חתם על שלום עם המדינה שעתיד היה לשלוט בה, אנגליה, ב-1674. על מנת לחזק את מעמדו, ביקש להינשא לבת דודתו מרי, בתו של ג'יימס, דוכס יורק (לימים ג'יימס השני, מלך אנגליה). החתונה התקיימה ב-4 בנובמבר 1677; חיי הנישואין של הזוג לא היו מאושרים, ולא נולדו להם ילדים. מאחר שהעדיף שלא להילחם באנגליה ובארצות השפלה גם יחד, כרת עמם לואי הארבעה עשר ברית ב-1678, אך מאחר שהמשיך בתוקפנותו גם לאחר מכן, הצטרף ויליאם השלישי לליגת אוגסבורג (קואליציה אנטי-צרפתית שכללה גם את האימפריה הרומית הקדושה, שוודיה, ספרד ומספר נסיכויות גרמניות) ב-1686.
ב-1685, עלה דודו וחותנו של ויליאם לכס המלוכה האנגלי כג'יימס השני, אך מאחר שהיה קתולי, הוא לא היה פופולרי באזורים הפרוטסטנטיים. ויליאם ביקש לכרות ברית עם ג'יימס, בתקווה שיצטרף אף הוא לליגת אוגסבורג, ועם זאת ניסה שלא להעליב את המפלגה הפרוטסטנטית באנגליה. אך ב-1687 היה כבר ברור לכל כי ג'יימס השני לא יצטרף לליגה. על מנת לזכות באמונם של הפרוטסטנטים האנגלים, ויליאם ביטא את חוסר אמונו במדיניותו הדתית של ג'יימס. כשהם רואים בו את מושיעם, החלו פוליטיקאים אנגלים רבים לארגן פלישה מזוינת לאנגליה.
המהפכה המהוללת.
בתחילה התנגד ויליאם לתוכנית הפלישה. בינתיים, באנגליה, ילדה אשתו של ג'יימס השני בן, ג'יימס פרנסיס אדוארד סטיוארט, אשר החליף את רעייתו של ויליאם כראשונה בשושלת הירושה. הכעס הציבורי גבר הודות למשפט של שבעה בישופים שהתנגדו באופן פומבי למדיניות הדתית של ג'יימס השני, וביקשו ממנו לשנות אותה. שבעת הבישופים זוכו, דבר שהיווה הפסד קשה לממשלתו של ג'יימס, וגרם להתנגדות נוספת למדיניותו.
אך ויליאם עדיין לא רצה לפלוש לממלכת אנגליה, משום שהאמין כי העם האנגלי לא יתמוך בפולש זר. לפיכך, דרש כי הפרוטסטנטים האנגלים החשובים ביותר יזמינו אותו תחילה לפלוש. ב-30 ביוני 1688 – באותו היום שבו זוכו הבישופים – הסכימו קבוצת פוליטיקאים, הידועה כ"השבעה האלמותיים" לדרישתו, ושלחו לו הזמנה רשמית. ויליאם החל להתכונן לפלישה; מטרותיו היו ידועות כבר בספטמבר 1688. ב-5 בנובמבר 1688 נחת ויליאם באנגליה בראש צבא הולנדי. תומכיו של ג'יימס התדלדלו באופן מיידי; קצינים פרוטסטנטים ערקו מהצבא האנגלי, ואצילים משפיעים בכל המדינה הצהירו על תמיכתם בפולש. אף כי הפלתו של ג'יימס השני ידועה בדרך כלל בתור "המהפכה המהוללת", הייתה זו למעשה הפיכה צבאית.
ג'יימס ניסה בתחילה להתנגד לוויליאם, אך נכשל. ב-11 בדצמבר שלח נציגים מטעמו לערוך משא ומתן עם ויליאם, ובאותו הזמן ניסה להימלט בסתר. קבוצה של דייגים תפסה אותו, והביאה אותו חזרה ללונדון, אך ב-23 בדצמבר ניסה ג'יימס להימלט פעם נוספת, והפעם הצליח. למעשה התיר ויליאם לג'יימס לעזוב את המדינה, מאחר שהעדיף שלא לעשותו לקדוש עבור הקתולים.
ב-1689 התכנס פרלמנט שהוזמן בידי נסיך אוראנז', והיו דיונים רבים לגבי דרך הפעולה המועדפת. ויליאם השלישי חש לא בטוח במעמדו, וביקש למלוך כמלך בזכות עצמו, ולא רק כמוזמן מטעם הפרוטסטנטים. התקדים היחיד למלוכה כפולה באנגליה היה במאה ה-16, כאשר המלכה מרי הראשונה נישאה לנסיך הספרדי פליפה, והוסכם כי הנסיך יוכתר כמלך לצד רעייתו. אך פליפה היה למלך רק בתקופת חייה של אשתו, וכוחו היה מוגבל. ויליאם, לעומת זאת, דרש להיות מלך גם לאחר מות אשתו. אף כי היו יחידים שהציעו כי היא תהיה לשליטה היחידה, מרי עצמה נותרה נאמנה לבעלה וסירבה לכך.
ב-13 בפברואר 1689 העביר הפרלמנט את הצהרת הזכות, בה הוצהר כי ג'יימס, בכך שניסה לברוח ב-11 בדצמבר 1688, פרש מהמלוכה, ולכן הותיר את הכס ריק ופנוי. הכתר לא הוצע לבנו הבכור של ג'יימס, ג'יימס פרנסיס אדוארד (שהיה אמור להיות היורש במקרה הרגיל), אלא לוויליאם ומרי יחד. אולם, הוסכם כי "הפעלתו המלאה של הכוח המלכותי בידי נסיך אוראנז' תבוצע רק בשם הנסיך והנסיכה בכל ימי חייהם המשותפים".
ויליאם ומרי הומלכו יחדיו במנזר וסטמינסטר ב-11 באפריל 1689 על ידי הבישוף של לונדון, הנרי קומפטון. אף כי נהוג היה כי הארכיבישוף של קנטרברי מבצע את המלכת מלך אנגליה, סירב הארכיבישוף המכהן, ויליאם סנקרופט, להכיר בהפלתו של ג'יימס השני מכס המלוכה. ביום ההמלכה, הצהירה לבסוף האספה של האחוזות הסקוטיות – שהייתה מפולגת הרבה יותר מאשר הפרלמנט הבריטי – כי ג'יימס אינו עוד מלך סקוטלנד. לוויליאם ומרי הוצע הכתר הסקוטי, והם קיבלו אותו ב-11 במאי. רשמית נקרא ויליאם בסקוטלנד "ויליאם השני", מכיוון שהיה רק מלך סקוטי קודם אחד ששמו היה ויליאם.
סיום המהפכה.
ויליאם השלישי תמך בחוק הסובלנות ("Toleration Act") של 1689, שהבטיח סובלנות דתית לפורשים מסוימים מהדת הכללית. אך החוק חל רק על חלק מוגבל מהעם: הוא לא חל על מי שאינם נוצרים, אלה שלא האמינו בשילוש הקדוש ולא על קתולים. לפיכך, החוק היה פחות רחב מאשר הצהרת הסובלנות של ג'יימס השני, שביקשה להעניק חופש פולחן למאמיני כל הדתות.
בדצמבר 1689, אושרה מגילת הזכויות ("Bill of Rights"), אחד מהמסמכים החוקתיים החשובים בהיסטוריה האנגלית. החוק, שנוסח מחדש ואישר פרטים רבים בהצהרת הזכויות המוקדמת יותר, הגביל את הכוח המלכותי. החוק קבע, בין היתר, כי המלך אינו יכול להשעות חוקים שהועברו בפרלמנט, להשית מסים ללא הסכמה פרלמנטרית, למנוע את הזכות לעתירה, לגייס צבא קבוע בימי שלום ללא הסכמה של הפרלמנט, לא לאפשר לנתינים פרוטסטנטים לשאת נשק, להתערב בבחירות לפרלמנט, שלא לספק חסינות פרלמנטרית לחברי הפרלמנט, לחייב ערבות מוגזמת או להעניש באופן אכזרי או יוצא דופן. ויליאם התנגד להגבלות הללו על המלוכה, אך הוא בחר שלא להסתכסך עם הפרלמנט והסכים לכבד את החוק.
מגילת הזכויות גם פתרה את בעיית ירושת הכתר. לאחר מותם של ויליאם או מרי, האחר ימשיך למלוך. הבאים בשושלת הירושה יהיו אחותה של מרי השנייה, הנסיכה אן, וילדיה. לבסוף, כל צאצא שיהיה לוויליאם בעתיד מנישואין אחרים יכלל אף הוא בשושלת הירושה. לא-פרוטסטנטים, וכן אלה שינשאו לקתולים, יוצאו מסדר הירושה.
מלכותו עם מרי השנייה.
ויליאם נעדר מהממלכה לתקופות ממושכות בזמן מלחמתו בצרפת. אנגליה הצטרפה לליגת אוגסבורג, שנודעה אז בשם "הברית הגדולה" ("The Great Alliance") והשתתפה במלחמת הברית הגדולה (שבארצות הברית נקראת מלחמת המלך ויליאם, על שמו של ויליאם השלישי). בזמן שלחם ויליאם מחוץ לאנגליה מלכה באנגליה אשתו, מרי השנייה, במקומו, אך פעלה על פי עצותיו. בכל פעם שחזר לאנגליה, השיבה לו מרי את השלטון ללא התנגדות. סידור זה פעל במשך כל חייה של מרי.
אף כי אנגליה קיבלה את ויליאם כשליט, הייתה לו התנגדות משמעותית בסקוטלנד ובאירלנד. היעקוביטים הסקוטים – שהאמינו כי ג'יימס השני הוא המלך החוקי – ניצחו באופן מזהיר ב-2 ביולי 1689 בקרב קיליקרנקי, אך הובסו חודש לאחר מכן. המוניטין של ויליאם הורע לאחר הטבח בגלנקו (1692), בו נרצחו מאות סקוטים שסירבו להשבע אמונים למלכם ומלכתם החדשים. ויליאם נכנע לדעת הקהל כשהדיח את האחראים לטבח, אם כי עדיין נטה להם חסד; במילותיו של ההיסטוריון לורד אקטון, "אחד נעשה לקולונל, האחר לאביר, שלישי לחבר פרלמנט, והרביעי לרוזן".
באירלנד, שם נהנו המורדים מסיוע צרפתי, נמשכה הלחימה זמן רב יותר, אם כי ג'יימס נאלץ להימלט מהאי לאחר קרב הבויין (1690). הניצחון באירלנד מצוין מדי שנה בצעדת אוראנז'. לאחר שהצי האנגלו-הולנדי ניצח את הצי הצרפתי בקרב לה הוג ב-1692, נעשה היתרון הימי של אנגליה מכריע, ואירלנד נכבשה זמן קצר לאחר מכן. עם זאת, לא זכתה הברית הגדולה להצלחות ביבשת אירופה. ויליאם איבד את מחוז נאמור, חלק מהטריטוריה ההולנדית שלו, ב-1692, והובס קשות בקרב לנדן ב-1693.
מרי מתה מאבעבועות שחורות ב-1694, והותירה את ויליאם למלוך לבדו. על אף שהחזיק מספר פילגשים בימי חייה (שהידועה ביותר מביניהן היא אליזבת וילייר), התאבל ויליאם עמוקות על מות אשתו. אף שגודל בילדותו כקלוויניסט, המיר את דתו לאנגליקניות. במהלך שלטונו לבדו התמעטה האהדה כלפיו באופן משמעותי.
חוקרים מודרניים רבים סבורים כי ויליאם היה ביסקסואל או הומוסקסואל. היו לו מאהבים גברים, ביניהם עורך דין מרוטרדם בשם ואן זוילן ואן נייוולד. הוא העניק תוארי אצולה אנגליים לשניים מהחצרנים ההולנדיים שלו: הנס וילם בנטינק נעשה לרוזן פורטלנד, וארנולד יוסט ואן קפל נעשה לרוזן אלבמרל.
שנותיו המאוחרות.