Nacque nella Carolina del Nord. Il padre, era pastore della Chiesa Episcopale, ma anche autore di testi teatrali, mentre la madre, Matilda Beatrice Samuel, era un'attrice e proveniva da una famiglia di ebrei sefarditi originaria dell'Inghilterra. Beatrice si era convertita alla religione cristiana dopo le nozze. Fratello minore di William era il celebre Cecil B. De Mille, che modificò leggermente il proprio cognome perché, secondo lui, era più adatto per il mondo di Hollywood. Il giovane William si diplomò alla Columbia University. Seguì, quindi, un corso all'Academy of Dramatic Arts e un periodo di studio in Germania. Nel 1903 si unì in matrimonio con Anna Angela George, figlia del celebre economista. I due ebbero due figli, Agnes, che sarebbe diventata una celebre coreografa, e la futura attrice Peggy George. Come drammaturgo, deMille esordì con lo spettacolo Strongheart, che venne rappresentato per la prima volta a Broadway il 30 gennaio 1905  il successo fu notevole e lo spettacolo ebbe ben 66 repliche.  William deMille collaborò con il fratello Cecil per il successivo The Royal Mounted, che debuttò il 6 aprile 1908 . Nel 1911 deMillepresentò lo spettacolo The Woman che venne rappresentato  il 19 settembre 1911. La prima fu un vero successo e fu replicata altre 247 volte, chiudendo nell'aprile 1912. La carriera di deMille si sarebbe certamente limitata a quella di autore teatrale grazie ai suoi continui successi, se non avesse deciso di seguire suo fratello Cecil nella sua avventura verso Hollywood ed il mondo del cinema. Ad Hollywood, deMille si dedicò alla regia cinematografica facendo il suo esordio come regista nel 1914. Nonostante fosse diventato uno dei registi più noti ed affermati di quegli anni, gran parte delle pellicole di questo autore sono andate perdute. Con l'insorgere del cinema sonoro, tuttavia, William deMille considerò l'innovazione inferiore al cinema muto. Con questa scelta deMille diede un duro colpo alla sua carriera di regista. Nel 1929 deMille divorziò dalla prima moglie, Anna Angela, e sposò la sceneggiatrice Clara Beranger conosciuta sul set della pellicola Miss Lulu Bett girata in quello stesso anno. In onore della sua carriera artistica, in collaborazione con il celebre Douglas Fairbanks, William deMille ebbe l'onore di presentare la cerimonia per la premiazione dell'Oscar sempre nel 1929 e poi nel 1930. Dopo essere diventato Presidente della Academy of Motion Picture Arts and Sciences, della quale suo fratello era uno dei fondatori, deMille cercò di tornare al teatro ma con scarso successo. Il suo primo spettacolo che ne segnò il rientro a Broadway, Poor Old Jim, venne rappresentato nel 1929 al Little Theatre Tournament ma non ebbe molte repliche. Si dedico all'attività di insegnante fino alla sua morte, avvenuta all'età di 76 anni.