Vilhelm ble i 1620 hertug av Sachsen-Weimar. Fra 1640/1641 styrte han alene. I 1644 arvet han også deler av hertugdømmet Sachsen-Eisenach, da hans yngre bror Albrecht døde barnløs. Hertug Vilhelm døde i 1662 og i sitt testament hadde han bestemt at hertugdømmet skulle deles likt mellom de fire sønnene.