I 1050'erne og begyndelsen af 1060'erne deltog Vilhelm i kampen om den engelske krone, der sad på den barnløse Edvard Bekenderens hoved. Vilhelm var i familie med Edvard. Der var også andre, som ønskede kronen som den magtfulde engelske jarl Harold Godwinson, der blev udråbt som Englands konge, da Edvard lå på sit dødsleje i 1065/66. Vilhelm protesterede ved at sige, at Edvard havde lovet ham tronen, og at Harold havde svoret at støtte Vilhelms krav. Han byggede derfor en stor flåde og invaderede England i september 1066, hvor han vandt en overbevisende sejr og dræbte Harold under slaget ved Hastings den 14. oktober 1066. Efter flere militærinterventioner blev Vilhelm kronet som konge juledag 1066 i London. Han fik ordnet styret af England i begyndelsen af 1067 og vendte tilbage til Normandiet. Flere mislykkede oprør fulgte, men i 1075 var Vilhelms greb om England sikret i en grad, der gjorde det muligt for ham at bruge størstedelen af tiden som konge på at styre kontinentet.