1607年，由倫敦弗吉尼亞公司（Virginia Company of London）的商船抵達美國大陸並建立詹姆斯敦（Jamestown）和弗吉尼亞殖民地（Colony of Virginia），是為英國殖民者在美國的首個永久定居點。1530年，英國國王亨利八世（Henry VIII, 1491-1547）通過《至尊法案》（Acts of Supremacy）建立了英格蘭國教，正式與羅馬教廷脫離關系。新教與英國王室的關系很快在弗吉尼亞殖民地建立起來，並使其在1624年正式成為英國的皇家殖民地，而殖民地的領袖亦認為他們有職責將英國國教傳給北美當地的原住民。但由於當地的原住民的信仰和文化與殖民地存在諸多不同，殖民者斷定教授其英語將可以達到傳播宗教的作用，同時可將其納入英國子民。
1618年11月，弗吉尼亞公司下令在距今裏士滿（Richmond）12英裏處的亨裏科（Henrico）劃出壹塊10000英畝（約40平方千米）的土地以供建立壹所可以為印第安人提供教育的大學——當時的殖民者希望同時為殖民者的後裔和當地的原住民提供高等教育。1619年5月26日，公司財務主管埃德溫·桑迪斯爵士（Sir Edwin Sandys）報告顯示籌建學校的資金已到位。 同年7月30日建立的弗吉尼亞議會（Virginia General Assembly）於7月31日呼籲弗吉尼亞公司從英國雇請工人以便參與學校的建設。1620年5月11日，公司委任了喬治·索普（George Thorpe,1576-1622） 負責管理大學用地。 而在托馬斯·戴爾爵士（Sir Thomas Dale, ?-1619）建立亨利科斯（Henricus）的計劃之中，即有建立壹所大學的構想。1622年3月，詹姆斯敦屠殺（Jamestown Massacre）爆發，索普不幸罹難，亨利科斯亦被摧毀。壹連串的變故推遲了大學的籌建計劃。
1624年，隨著弗吉尼亞公司合約到期被收回、弗吉尼亞成為皇家殖民地後，建設大學的計劃即被放棄。1661年，弗吉尼亞議會通過法案授權政府購地用於建設院校，之後卻不了了之。1690年6月，建立大學的計劃再度被提起，時任副總督的弗朗西斯·尼克爾森（Francis Nicholson）批準了提案並向當地商人提出籌資需求。1691年5月，時任倫敦大主教代表的詹姆斯·布萊爾牧師（Rev.James Blair 1656-1743）受命前往英國覲見威廉三世與瑪麗二世，並提出希望獲得委任狀以建立大學的請求。 1693年2月8日，威廉瑪麗學院獲得英國王室的委任狀。威廉三世從弗吉尼亞的免役稅（quitrent）中列支了1885英鎊14先令又10便士提供給大學建設。同時，測繪局的盈利以及壹塊占地10000英畝（約40平方千米）的土地亦被慷慨贈予大學。根據皇家委任狀所言：“……在未來建立壹所提供通識教育的學院、壹所永久性的教授神學、哲學、語言學和其他文理學科的學院並加以大力支持和維護……”，威廉瑪麗學院在1693年11月16日獲弗吉尼亞議會批準建立，當時弗吉尼亞政府決定以煙草稅和對皮毛征收的出口稅來供給學院的運作。
威廉瑪麗學院得名於時任英國國王的威廉三世和瑪麗二世，學校校址則沒有按照皇家委任狀得要求建立在約克河（York River）以南，而是建在中部種植園（Middle Plantation）的教堂附近。值得註意的是，中部種植園直至1699年弗吉尼亞首府從詹姆斯敦遷至此地後才更名為威廉斯堡。故威廉瑪麗學院的歷史甚至早於威廉斯堡的歷史。
1693年，威廉瑪麗學院獲得弗吉尼亞下議院（House of Burgesses）的壹個議席。12月20日，學校耗資170英鎊從托馬斯·布拉德（Thomas Ballard, 1630/1-1689/90）手中購得離詹姆斯敦13千米處的壹塊330英畝（約1.3平方千米）的地皮作為校址。1694年，學院在今日所見的建築群中開張。1694年5月14日，威廉瑪麗學院獲得由英國紋章院（College of Arms in London）所頒發的校徽紋章。 1695年8月8日，時任殖民地總督埃德蒙·安德魯斯（Edmund Andros, 1637-1714）和弗吉尼亞議員出席克裏斯多佛·雷恩爵士樓（Sir Christopher Wren Building）的開工典禮，爾後該大樓改稱學院樓（The College Building）。1700年建成的雷恩樓亦為全美歷史最悠久的學院大樓。詹姆斯·布萊爾牧師獲皇家委任，成為威廉瑪麗學院的首位校長；他壹直在學院留任到1743年逝世為止。學院最初時是作為壹所聖公會學校建立的，故入學的學生都被要求加入英國國教，教授亦被要求忠於三十九條信綱（Thirty-Nine Articles）。
1699年，弗吉尼亞下議院議員或總督尼克爾森之邀，列席威廉瑪麗學院舉辦的壹次五壹節（May Day）的慶祝活動。會上，下議院因扶持學校的建立而獲得褒揚，亦有5位學生發表演講。其中壹位盛贊威廉斯堡作為弗吉尼亞首府的重要地位。
1700年12月5日，威廉瑪麗學院的學院樓臨時成為弗吉尼亞總督辦公室。殖民地議會在威廉斯堡的首次會議亦在此召開並持續在此開會，直至1704年議會大樓落為止。 1702年7月，學校迎來首場戲劇表演。1705年10月29日，學院樓在晚間11時至12時之間發生壹場原因不明的火災，大樓隨同圖書館和所有的設施很快被燒毀。但大樓厚重的磚墻沒有遭到損毀。1709年，安妮女王撥款1000英鎊予學院重建大樓之用。日後，基於原有的磚墻結構，重建與改造工作在副總督亞歷山大·斯波茨伍德（Alexander Spotswood, 1676-1740）的協助下於1710年至1716年間完成。在1705年至1716年的時間裏，學生均在校外擇址參加課程。 1718年5月30日，弗吉尼亞議會撥款1000英鎊給學校以滿足殖民者和原住民的教育所需。1723年，由羅伯特·波義耳（Robert Boyle, 1627-1691）的遺產建立的布拉弗頓大樓（The Brafferton Building）建成，成為印第安人學院院址。該學院於1700年設立。“布拉弗頓”是根據波義耳的遺囑在約克郡投資購入的壹處房產。該房產的租金壹直支持印第安人學院直至美國獨立戰爭為止。1729年2月27日，學院的所有學部全部落成。當時***有1為校長、6位教授。根據皇家委任狀，學院的***同管理權於當年8月15日由在世的委任人詹姆斯·布萊爾牧師（Rev. James Blair）和史蒂芬·福塞（Stephen Fouace）移交予校長與教授。 1732年6月28日，學院樓南翼的禮拜堂落成開放。禮拜堂下埋葬著數位弗吉尼亞的名人，例如弗吉尼亞下議院議長約翰·蘭道夫爵士（Sir John Randolph, 1693-1737）及其子嗣、第壹次大陸會議主席佩頓·蘭道夫（Peyton Randolph,1721-1775）等人。 1732年7月31日，校長府邸（President's House）破土動工。1736年，首部威廉瑪麗學院校規由《弗吉尼亞公報》（Virginia Gazette）的威廉·帕克斯（William Parks）印刷頒布。1740年9月25日，根據其遺囑，斯波茨伍德副總督將其名下所有書籍、地圖和數學儀器捐獻給大學。 1747年1月20日，弗吉尼亞議會大樓失火後，議會再度遷至學院樓開會。直至1754年再才遷出。 1749年7月29日，17歲的喬治·華盛頓（George Washington）在卡爾佩珀縣（Culpeper County）法院上出示了自己從威廉瑪麗學院取得的測量師資格證書。
1772年，威廉斯堡才被授予皇家委任狀升格成為市鎮。威廉斯堡自1699年至1780年為止，均為弗吉尼亞殖民地的州府。在此期間，學院壹度成為立法中心，不少大樓常為立法者所占用。未來的美國總統托馬斯·傑斐遜、詹姆斯·門羅、約翰·泰勒均在威廉瑪麗學院求學，故該校被稱作“美國的母校”（the Alma Mater of a Nation）。
威廉瑪麗學院為全美首所獲得皇家特許狀的學院、首所擁有兄弟會的學院（1776年建立）、首所建立榮譽制度和法學院的學院。 美國獨立戰爭期間，弗吉尼亞通過了《弗吉尼亞宗教自由法案》（Virginia Statute for Religious Freedom），在其治下廣泛推動宗教自由。未來的美國總統詹姆斯·麥迪遜對這種促成這種轉變起到了巨大的作用。在麥迪遜的堂兄詹姆斯·麥迪遜主教（Right Reverend James Madison 1749-1812）和學校監事會成員托馬斯·傑斐遜的幫助下，威廉瑪麗學院成功完成了向宗教自由的過渡；同時，學院亦成為全美首所設有法學和醫學研究生院的大學。作為校長的麥迪遜牧師和美國獨立後弗吉尼亞的新政府合作，致力於重組學院模式並且改革教育體系。神學院（Divinity School）和印第安人學校（Indian School）遭到廢止，學院則新增全美首個選修課程和榮譽課程制度。
威廉瑪麗學院擁有全美首個大學秘密組織——平帽社（Flat Hat Club, F.H.C.Society），該組織成立於1750年11月11日。1776年12月5日，學院的學生約翰·希斯（John Heath 1758-1810）和威廉·肖特（William Short 1759-1848）成立了秘密文學和哲學社團——“Phi Beta Kappa”社。
1842年，威廉瑪麗學院校友會由該校校友成立，迄今是全美第六古老的校友會。1859年，壹場大火燒毀了學院，導致校友會大樓成為現今威廉瑪麗學院僅剩的幾幢內戰前建成的校舍之壹。其他的幾幢大樓還包括雷恩樓（Wren Building）、校長辦公室（President‘s House）和布拉弗頓樓（The Bafferton） 。 美國內戰開始時，為響應邦聯軍隊的征召，學校的學生人數下降。1861年5月10日，教員會議決定在接下來的戰爭期間關閉學校。學院樓（The College Building）被征為邦聯軍的營房，後來先後變成邦聯軍和聯邦軍的戰地醫院。1862年5月5日，半島戰役（Peninsula Campaign）之壹的威廉斯堡戰役（Battle of Williamsburg）打響，次日聯邦軍便攻陷威廉斯堡。布拉弗頓樓被進駐部隊征用，樓中的門板和大部分地板都被拆卸下來作為柴火；窗框則被運往馬格魯德堡（Fort Magruder）的指揮所。唯壹得以保留下來的是該樓的磚墻外立面。1862年9月9日，第五賓夕法尼亞騎兵團（5th Pennsylvania Cavalry）的醉酒士兵放火燒了學院樓，據稱是為了防止邦聯軍的狙擊手利用該樓作為掩護。聯邦軍占領期間，學院叠遭破壞。這種情況甚至延續到了1865年9月，即戰爭結束數個月後。
戰後，弗吉尼亞因戰事而陷入財政困境。威廉瑪麗學院的第16任校長本傑明·斯托德特·埃威爾（Benjamin Stoddert Ewell 1810-1894）直至1869年才自費重開學校。然而到了1882年，學院又因為資金緊張而關閉。1888年，弗吉尼亞州通過法案向威廉瑪麗學院撥款1萬美元，並為學院換發了新特許狀令其轉變為州立的師範機構。 該校校友、美國總統約翰·泰勒之子裏昂·加德納·泰勒（Lyon Gardiner Tyler 1853-1935）接手退休的埃威爾的職務，成為該校的第17任校長。泰勒和繼任校長朱裏安·埃文·卡羅森·錢德勒（Julian Alvin Carrollson Chandler 1872-1934）***同將學院建成壹所現代化的高等學校。1906年3月，州議會通過法案接管該前殖民地學院。威廉瑪麗學院自此完全成為壹所公立大學並持續至今。1918年，威廉瑪麗學院成為弗吉尼亞州首所允許女性學生入學並實行男女混合教育的大學。學校此後經歷了長時間的入學人數增長，從1889年的104人增加到了1932年的1269人。1926年，小洛克菲勒（John D. Rockefeller, Jr. 1874-1960）被投資籌建了“殖民地威廉斯堡基金會”，原貌修復和重建18世紀的威廉斯堡、詹姆斯頓和約克鎮。經過修復的“殖民地威廉斯堡”歷史區，包括1英裏長的主街、88座建築物、400多處設施及90英畝花園綠地。 1930年，威廉瑪麗學院在弗吉尼亞的諾福克（Norfolk, Virginia）建立了壹所分校——威廉瑪麗學院諾福克分校，從而擴張了學校面積。後來該校改名成為今日的歐道明大學（Old Dominion University），並從威廉瑪麗學院獨立出去變成壹所州立學校。
在第19任校長，約翰·斯圖加特·布萊恩（John Stewart Bryan 1871-1944）任內（1934-1942），學校完成了大規模的擴建。1934年10月20日，富蘭克林·德拉諾·羅斯福總統在威廉瑪麗學院獲得了榮譽學位。1935年，位於雷恩樓西側的下沈花園（Sunken Garden）建成 ，該園的設計仿造雷恩爵士為倫敦皇家切爾西醫院（Royal Hospital Chelsea）修築的的壹處類似景觀。
至少從1940年代開始，威廉瑪麗學院就開始支持新聞自由。1945年，學校行政層決議制裁學生瑪麗琳·卡美勒（Marilyn Kaemmerle）因為她在《平帽社》（The Flat Hat）校刊裏發文呼籲結束種族隔離、反種族混雜和白人至上的政策。據《時代周刊》雜誌報道，超過1000名大學生舉辦了壹場抗議活動，宣稱大學由托馬斯·傑斐遜（威廉瑪麗學院校友）所傳承的自由原則遭到了侵害。數十年後，瑪麗琳得到了大學監事會的赦免。
1951年，威廉瑪利學院的研究生院錄取了黑人學生休倫·威利斯（Hulon Willis）因為當時該生申請的弗吉尼亞州立大學並未開設相關的研究生項目。然而，學院直至1970年代都沒有再錄取過非裔美國人。
1960年，威廉瑪麗學院聯盟成立，這個短命的五校系統包括威廉瑪麗學院、裏士滿職業學院（Richmond Professional Institute）、威廉瑪麗學院諾福克分校、克裏斯托弗紐波特學院（Christopher Newport College）和理查德布蘭德學院（Richard Bland College）。該聯盟於1962年解散。
1974年，傑·溫斯頓·約翰（Jay Winston Johns）立下遺囑將其身下財產——占地535英畝（約2.17平方千米）的灰草坪高地（Ash Lawn-Highland）贈予學校。該高地地處歷史悠久的弗吉尼亞阿爾比馬爾縣，曾為美國總統詹姆斯·門羅的地產。為此，威廉瑪麗學院特地修復了這處靠近夏洛茨維爾（Charlottesville）的總統故居並向公眾開放。
1983年，G7所屬政府首腦在威廉斯堡舉行了峰會， 時任意大利總統範範尼、英國首相撒切爾、 日本首相中曾根康弘、美國總統裏根、法國總統密特朗、西德總理科爾、 盧森堡首相托恩和加拿大總理特魯多出席峰會並到訪學院。
1993年，已退休的前英國首相撒切爾夫人出任威廉瑪麗學院的名譽校長。
2012年7月25日，位於諾福克的東弗吉尼亞醫學院（Eastern Virginia Medical School,EVMS）和威廉瑪麗學院發表聯合聲明，宣布兩校有意向合並。但諸如此類合並需要經過弗吉尼亞州議會和州長同意方可進行。對此，州政府決定暫時先向兩校撥款20萬美元。東弗吉尼亞醫學院和威廉瑪麗學院達成協定，就將來實行合並的可能性進行研究。