Родился будущий исследователь 19 ноября 1898 года в Род-Айленде, в семье Уильяма Герберта Шелдона старшего, натуралиста и животновода, и его жены, деревенской акушерки Мэри Эбби Грин. Его крестным отцом стал выдающийся ученый, философ и психолог Уильям Джемс (Джеймс).
В 1915 году он окончил школу и поступил в Университет Брауна. После окончания учебы в университете Уильям Шелдон работал в различных областях, прежде чем поступил на обучение для получения магистерской степени в Университет Колорадо. Там он получил степень магистра, а затем – ученую степень доктора философии (что произошло в 1925 году). В это время начал заниматься преподавательской деятельностью: преподавал психологию в Чикагском Университете, а также в Университете Висконсина. Его заинтересовала медицина, и он поступил на обучение в Университет при Чикагском Медицинском Центре. Именно здесь в 1933 году Шелдон получил научную степень доктора медицинских наук.
Получение двухлетней стипендии в Европе позволило Уильяму Шелдону учиться у выдающегося психоаналитика Карла Густава Юнга, а также встретиться с основателем психоанализа Зигмундом Фрейдом и ученым, исследователем Эрнстом Кречмером. После обучения в Европе, в 1938 году, Шелдон переехал в Гарвард.
Во время Второй мировой войны Шелдон служил в ранге подполковника в военном медицинском корпусе. С 1947 по 1959 год он был директором Конституциональной лаборатории Колледжа Терапии и Хирургии при Колумбийском Университете. В 1951 году он стал профессором медицины в Университете Орегона. Ушел из жизни в Кембридже 17 сентября 1977 года, в возрасте 78 лет.
Уильям Шелдон был талантливым, но весьма беспокойным человеком. Он не был псевдоученым, как утверждали некоторые, потому как он развивал давно существующую идею о взаимосвязи телосложения и типа темперамента, и переложил эту идею на более «безопасные», научные основания.