Vilhelm I:stä tuli Württembergin kuningas isänsä kuoltua 30. lokakuuta 1816. Hän pyrki hillitsemään kruunun menoja ja päätti jo isänsä kaudella alkaneen perustuslaillisen kriisin antamalla vuonna 1819 valtakunnalleen uuden perustuslain, joten häntä pidettiin aluksi vapaamielisenä hallitsijana. Vallankumousvuosien 1830 ja 1848 jälkeen hänen hallintonsa muuttui taantumuksellisempaan suuntaan ja hän alkoi korostaa enemmän omia valtaoikeuksiaan. Vuoden 1848 vallankumouksen aikana Vilhelm tunnusti Frankfurtin kansalliskokouksen valtionhoitajaksi valitseman arkkiherttua Juhanan, mutta vuonna 1849 Württembergin hallitus veti tukensa pois kansalliskokoukselta, joka oli siirtynyt sen alueelle Stuttgartiin. Vilhelm oli yksi vuonna 1850 luodun, Preussin vaikutusvaltaa vastaan suunnatun ”neljän kuninkaan liiton” ("vierkönigsbündnis") perustajista, mutta myöhemmin 1850-luvulla hän muutti ulkopolitiikkansa Preussia myötäileväksi. Vilhelm I rakennutti Stuttgartiin Rosensteinin linnan.