Guilherme era o filho do solteiro Roberto I, duque da Normandia, com sua amante Arlete. Sua posição como filho ilegítimo e sua juventude lhe causaram algumas dificuldades depois que sucedeu seu pai, assim como a anarquia que assolou os primeiros anos de seu governo. Durante sua infância e adolescência, membros da aristocracia normanda lutaram entre si, tanto para ter o controle do jovem duque e para seus próprios fins. Em 1047, Guilherme foi capaz de esmagar uma rebelião e começar a estabelecer sua autoridade sobre o ducado, um processo que não ficou completo até cerca de 1060. Seu casamento no início da década de 1050 com Matilde de Flandres forneceu-lhe um poderoso aliado no condado vizinho do Flandres. Na época de seu casamento, o duque foi capaz de providenciar as nomeações de seus partidários como bispos e abades na igreja normanda. Sua consolidação no poder lhe permitiu expandir seus horizontes, e em 1062 foi capaz de garantir o controle do condado vizinho do Maine.

No final da década de 1050 e início da década de 1060, o duque se tornou um candidato ao trono da Inglaterra, então mantido pelo sem descendentes Eduardo, o Confessor, seu primo em primeiro grau, uma vez removido. Havia outros potenciais pretendentes, incluindo o poderoso conde inglês Haroldo Godwinson, que foi nomeado o próximo rei por Eduardo em seu leito de morte em janeiro de 1066. Guilherme argumentou que o falecido rei tinha prometido anteriormente o trono para ele, e que Haroldo tinha jurado apoiar sua reivindicação. Guilherme construiu uma grande frota e invadiu a Inglaterra em setembro de 1066, decisivamente derrotando e matando Haroldo na batalha de Hastings em 14 de outubro de 1066. Depois de mais alguns esforços militares, o duque normando foi coroado rei no dia de Natal de 1066, em Londres. Ele fez arranjos para a governança da Inglaterra no início de 1067, antes de voltar para a Normandia. Diversas rebeliões sem sucesso se seguiram, mas em 1075 o domínio de Guilherme na Inglaterra foi essencialmente assegurado, permitindo-lhe passar a maior parte do resto de seu reinado no continente.