Na het aflopen van het Twaalfjarig Bestand in 1621 nam Willem dienst in het Staatse leger, waar hij op 24 juli 1622 werd benoemd tot kolonel der infanterie. In 1625 werd hij gouverneur van Emmerik en van 1626 tot 1637 was hij gouverneur van Heusden. Willem nam deel aan het Beleg van ’s-Hertogenbosch en het Beleg van Maastricht. In april 1633 werd Willem benoemd tot veldmaarschalk als opvolger van graaf Ernst Casimir van Nassau-Diez. In 1637 werd Willem gouverneur van Sluis en nam hij deel aan het Beleg van Breda. Bij de Slag bij Calloo op 17 juni leed Willem een nederlaag en verloor 2000 man, waaronder zijn zoon Maurits Frederik. Tijdens het Beleg van Gennep in 1641 kreeg Willem een musketschot in de buik, waaraan hij later bezweek.