Sammen med Friedrich August av Nassau-Usingen sluttet han seg til Rhinforbundet i 1806, og med begge fyrstenes tillatelse ble hertugdømmet Nassau opprettet av Napoleon 30. august samme år. Dette ble regjert av begge, Fredrik Vilhelm og hans 30 år eldre fetter Fredrik August (1738–1816), fra Schloss Biebrich. Deres styresett var progressivt, i 1808 ble livegenskapet avskaffet, i 1811 endret de skattelovene og fastla at alle borgerne var like for loven. De var dessuten de første tyske fyrstene som fastla en landdag for deres rike. Dette skjedde 1. og 2. september 1814. I 1815 sluttet Nassau seg til det tyske forbund.