Вильгельм Людвиг фон Кюхельбекер родился 10 июня 1797 года в Санкт-Петербурге в семье российских немцев-дворян и был лютеранином. Его детство прошло в Лифляндии, в имении Авенорм, где до шести лет он не говорил по-русски. В 1808 году, благодаря рекомендации дальнего родственника М. Б. Барклая-де-Толли, он поступил в частный пансион Бринкмана в городе Верро и окончил его с серебряной медалью.

В 1811 году, снова по рекомендации Барклая-де-Толли, Вильгельм был принят в Императорский Царскосельский лицей. Там он учился вместе с А. С. Пушкиным, И. И. Пущиным, А. А. Дельвигом и А. М. Горчаковым. Вильгельм проявил интерес к поэзии и начал публиковаться в журналах «Амфион» и «Сын Отечества» в 1815 году. В 1817 году он окончил лицей с серебряной медалью и чином IX класса, после чего был зачислен в Коллегию иностранных дел вместе с Пушкиным. С 1817 по 1820 год он преподавал русский и латинский языки в Благородном пансионе при Главном Педагогическом институте, где среди его учеников были Михаил Глинка и Лев Пушкин. В 1820 году он вышел в отставку и отправился за границу в качестве секретаря обер-камергера А. Л. Нарышкина. В Париже он читал лекции о славянском языке и русской литературе, которые были прекращены по требованию русского посольства. Вскоре после этого он вернулся в Россию.

Кюхельбекер был членом масонской ложи Михаила избранного великой Астреи до её закрытия в 1822 году. С конца 1821 до мая 1822 года он служил на Кавказе, где познакомился с А. С. Грибоедовым. После дуэли с Н. Н. Похвисневым он был вынужден оставить службу и вернуться в Россию, где год прожил в имении своей сестры Ю. К. Глинки. В 1823 году он переехал в Москву и преподавал в женском пансионе Кистера.

В 1825 году Кюхельбекер переехал в Санкт-Петербург и жил у своего брата Михаила, а затем у князя А. И. Одоевского. С 1817 года он состоял в тайной преддекабристской организации «Священная артель», а за две недели до восстания 14 декабря 1825 года был введён в Северное тайное общество. В день восстания он был на Сенатской площади с восставшими, но после поражения попытался бежать за границу. Однако был арестован в Праге и доставлен в Санкт-Петербург, где его поместили в Петропавловскую крепость.

Кюхельбекер был осуждён на 20 лет каторжных работ, но срок был сокращён до 15 лет. Он был переведён в различные крепости, а затем отправлен на поселение в Баргузин. Там он продолжал заниматься литературной деятельностью и женился на Дросиде Ивановне Артеновой. В 1839 году он был переведён в Акшинскую крепость, а затем в Курган, где потерял зрение и жил до конца своих дней. Вильгельм Кюхельбекер умер от чахотки 11 августа 1846 года в Тобольске и был похоронен на Завальном кладбище.

После его смерти сестра Ю. К. Глинка взяла на воспитание его детей, которым позже вернули фамилию отца. Вдова Кюхельбекера продала дом в Кургане и переехала к родственникам, где получала пособие от казны и Литературного фонда.