1607年，由伦敦弗吉尼亚公司（Virginia Company of London）的商船抵达美国大陆并建立詹姆斯敦（Jamestown）和弗吉尼亚殖民地（Colony of Virginia），是为英国殖民者在美国的首个永久定居点。

1530年，英国国王亨利八世（Henry VIII, 1491-1547）通过《至尊法案》（Acts of Supremacy）建立了英格兰国教，正式与罗马教廷脱离关系。新教与英国王室的关系很快在弗吉尼亚殖民地建立起来，并使其在1624年正式成为英国的皇家殖民地，而殖民地的领袖亦认为他们有职责将英国国教传给北美当地的原住民。但由于当地的原住民的信仰和文化与殖民地存在诸多不同，殖民者断定教授其英语将可以达到传播宗教的作用，同时可将其纳入英国子民。1618年11月，弗吉尼亚公司下令在距今里士满（Richmond）12英里处的亨里科（Henrico）划出一块10000英亩（约40平方千米）的土地以供建立一所可以为印第安人提供教育的大学——当时的殖民者希望同时为殖民者的后裔和当地的原住民提供高等教育。1619年5月26日，公司财务主管埃德温·桑迪斯爵士（Sir Edwin Sandys）报告显示筹建学校的资金已到位。 同年7月30日建立的弗吉尼亚议会（Virginia General Assembly）于7月31日呼吁弗吉尼亚公司从英国雇请工人以便参与学校的建设。1620年5月11日，公司委任了乔治·索普（George Thorpe,1576-1622） 负责管理大学用地。 而在托马斯·戴尔爵士（Sir Thomas Dale,-1619）建立亨利科斯（Henricus）的计划之中，即有建立一所大学的构想。1622年3月，詹姆斯敦屠杀（Jamestown Massacre）爆发，索普不幸罹难，亨利科斯亦被摧毁。一连串的变故推迟了大学的筹建计划。 1624年，随着弗吉尼亚公司合约到期被收回、弗吉尼亚成为皇家殖民地后，建设大学的计划即被放弃。1661年，弗吉尼亚议会通过法案授权政府购地用于建设院校，之后却不了了之。1690年6月，建立大学的计划再度被提起，时任副总督的弗朗西斯·尼克尔森（Francis Nicholson）批准了提案并向当地商人提出筹资需求。1691年5月，时任伦敦大主教代表的詹姆斯·布莱尔牧师（Rev.James Blair 1656-1743）受命前往英国觐见威廉三世与玛丽二世，并提出希望获得委任状以建立大学的请求。1693年2月8日，威廉玛丽学院获得英国王室的委任状。威廉三世从弗吉尼亚的免役税（quitrent）中列支了1885英镑14先令又10便士提供给大学建设。同时，测绘局的盈利以及一块占地10000英亩（约40平方千米）的土地亦被慷慨赠予大学。根据皇家委任状所言：“……在未来建立一所提供通识教育的学院、一所永久性的教授神学、哲学、语言学和其他文理学科的学院并加以大力支持和维护……”，威廉玛丽学院在1693年11月16日获弗吉尼亚议会批准建立，当时弗吉尼亚政府决定以烟草税和对皮毛征收的出口税来供给学院的运作。威廉玛丽学院得名于时任英国国王的威廉三世和玛丽二世，学校校址则没有按照皇家委任状得要求建立在约克河（York River）以南，而是建在中部种植园（Middle Plantation）的教堂附近。值得注意的是，中部种植园直至1699年弗吉尼亚首府从詹姆斯敦迁至此地后才更名为威廉斯堡。故威廉玛丽学院的历史甚至早于威廉斯堡的历史。 1693年，威廉玛丽学院获得弗吉尼亚下议院（House of Burgesses）的一个议席。12月20日，学校耗资170英镑从托马斯·布拉德（Thomas Ballard, 1630/1-1689/90）手中购得离詹姆斯敦13千米处的一块330英亩（约1.3平方千米）的地皮作为校址。1694年，学院在今日所见的建筑群中开张。1694年5月14日，威廉玛丽学院获得由英国纹章院（College of Arms in London）所颁发的校徽纹章。1695年8月8日，时任殖民地总督埃德蒙·安德鲁斯（Edmund Andros, 1637-1714）和弗吉尼亚议员出席克里斯多佛·雷恩爵士楼（Sir Christopher Wren Building）的开工典礼，尔后该大楼改称学院楼（The College Building）。1700年建成的雷恩楼亦为全美历史最悠久的学院大楼。詹姆斯·布莱尔牧师获皇家委任，成为威廉玛丽学院的首位校长；他一直在学院留任到1743年逝世为止。学院最初时是作为一所圣公会学校建立的，故入学的学生都被要求加入英国国教，教授亦被要求忠于三十九条信纲（Thirty-Nine Articles）。1699年，弗吉尼亚下议院议员或总督尼克尔森之邀，列席威廉玛丽学院举办的一次五一节（May Day）的庆祝活动。会上，下议院因扶持学校的建立而获得褒扬，亦有5位学生发表演讲。其中一位盛赞威廉斯堡作为弗吉尼亚首府的重要地位。 1700年12月5日，威廉玛丽学院的学院楼临时成为弗吉尼亚总督办公室。殖民地议会在威廉斯堡的首次会议亦在此召开并持续在此开会，直至1704年议会大楼落为止。 1702年7月，学校迎来首场戏剧表演。1705年10月29日，学院楼在晚间11时至12时之间发生一场原因不明的火灾，大楼随同图书馆和所有的设施很快被烧毁。但大楼厚重的砖墙没有遭到损毁。1709年，安妮女王拨款1000英镑予学院重建大楼之用。日后，基于原有的砖墙结构，重建与改造工作在副总督亚历山大·斯波茨伍德（Alexander Spotswood, 1676-1740）的协助下于1710年至1716年间完成。在1705年至1716年的时间里，学生均在校外择址参加课程。 1718年5月30日，弗吉尼亚议会拨款1000英镑给学校以满足殖民者和原住民的教育所需。1723年，由罗伯特·波义耳（Robert Boyle, 1627-1691）的遗产建立的布拉弗顿大楼（The Brafferton Building）建成，成为印第安人学院院址。该学院于1700年设立。“布拉弗顿”是根据波义耳的遗嘱在约克郡投资购入的一处房产。该房产的租金一直支持印第安人学院直至美国独立战争为止。1729年2月27日，学院的所有学部全部落成。当时共有1为校长、6位教授。根据皇家委任状，学院的共同管理权于当年8月15日由在世的委任人詹姆斯·布莱尔牧师（Rev. James Blair）和史蒂芬·福塞（Stephen Fouace）移交予校长与教授。 1732年6月28日，学院楼南翼的礼拜堂落成开放。礼拜堂下埋葬着数位弗吉尼亚的名人，例如弗吉尼亚下议院议长约翰·兰道夫爵士（Sir John Randolph, 1693-1737）及其子嗣、第一次大陆会议**佩顿·兰道夫（Peyton Randolph,1721-1775）等人。 1732年7月31日，校长府邸（President's House）破土动工。1736年，首部威廉玛丽学院校规由《弗吉尼亚公报》（Virginia Gazette）的威廉·帕克斯（William Parks）印刷颁布。1740年9月25日，根据其遗嘱，斯波茨伍德副总督将其名下所有书籍、地图和数学仪器捐献给大学。 1747年1月20日，弗吉尼亚议会大楼失火后，议会再度迁至学院楼开会。直至1754年再才迁出。 1749年7月29日，17岁的乔治·华盛顿（George Washington）在卡尔佩珀县（Culpeper County）法院上出示了自己从威廉玛丽学院取得的测量师资格证书。 1772年，威廉斯堡才被授予皇家委任状升格成为市镇。威廉斯堡自1699年至1780年为止，均为弗吉尼亚殖民地的州府。在此期间，学院一度成为立法中心，不少大楼常为立法者所占用。未来的美国总统托马斯·杰斐逊、詹姆斯·门罗、约翰·泰勒均在威廉玛丽学院求学，故该校被称作“美国的母校”（the Alma Mater of a Nation）。威廉玛丽学院为全美首所获得皇家特许状的学院、首所拥有兄弟会的学院（1776年建立）、首所建立荣誉制度和法学院的学院。 美国独立战争期间，弗吉尼亚通过了《弗吉尼亚宗教自由法案》（Virginia Statute for Religious Freedom），在其治下广泛推动宗教自由。未来的美国总统詹姆斯·麦迪逊对这种促成这种转变起到了巨大的作用。在麦迪逊的堂兄詹姆斯·麦迪逊主教（Right Reverend James Madison 1749-1812）和学校监事会成员托马斯·杰斐逊的帮助下，威廉玛丽学院成功完成了向宗教自由的过渡；同时，学院亦成为全美首所设有法学和医学研究生院的大学。作为校长的麦迪逊牧师和美国独立后弗吉尼亚的新政府合作，致力于重组学院模式并且改革教育体系。神学院（Divinity School）和印第安人学校（Indian School）遭到废止，学院则新增全美首个选修课程和荣誉课程制度。威廉玛丽学院拥有全美首个大学秘密组织——平帽社（Flat Hat Club, F.H.C.Society），该组织成立于1750年11月11日。1776年12月5日，学院的学生约翰·希斯（John Heath 1758-1810）和威廉·肖特（William Short 1759-1848）成立了秘密文学和哲学社团——“Phi Beta Kappa”社。1842年，威廉玛丽学院校友会由该校校友成立，迄今是全美第六古老的校友会。1859年，一场大火烧毁了学院，导致校友会大楼成为现今威廉玛丽学院仅剩的几幢内战前建成的校舍之一。其他的几幢大楼还包括雷恩楼（Wren Building）、校长办公室（President‘s House）和布拉弗顿楼（The Bafferton） 。 美国内战开始时，为响应邦联军队的征召，学校的学生人数下降。1861年5月10日，教员会议决定在接下来的战争期间关闭学校。学院楼（The College Building）被征为邦联军的营房，后来先后变成邦联军和联邦军的战地医院。1862年5月5日，半岛战役（Peninsula Campaign）之一的威廉斯堡战役（Battle of Williamsburg）打响，次日联邦军便攻陷威廉斯堡。布拉弗顿楼被进驻部队征用，楼中的门板和大部分地板都被拆卸下来作为柴火；窗框则被运往马格鲁德堡（Fort Magruder）的指挥所。唯一得以保留下来的是该楼的砖墙外立面。1862年9月9日，第五宾夕法尼亚骑兵团（5th Pennsylvania Cavalry）的醉酒士兵放火烧了学院楼，据称是为了防止邦联军的狙击手利用该楼作为掩护。联邦军占领期间，学院迭遭破坏。这种情况甚至延续到了1865年9月，即战争结束数个月后。战后，弗吉尼亚因战事而陷入财政困境。威廉玛丽学院的第16任校长本杰明·斯托德特·埃威尔（Benjamin Stoddert Ewell 1810-1894）直至1869年才自费重开学校。然而到了1882年，学院又因为资金紧张而关闭。1888年，弗吉尼亚州通过法案向威廉玛丽学院拨款1万美元，并为学院换发了新特许状令其转变为州立的师范机构。 该校校友、美国总统约翰·泰勒之子里昂·加德纳·泰勒（Lyon Gardiner Tyler 1853-1935）接手退休的埃威尔的职务，成为该校的第17任校长。泰勒和继任校长朱里安·埃文·卡罗森·钱德勒（Julian Alvin Carrollson Chandler 1872-1934）共同将学院建成一所现代化的高等学校。1906年3月，州议会通过法案接管该前殖民地学院。威廉玛丽学院自此完全成为一所公立大学并持续至今。1918年，威廉玛丽学院成为弗吉尼亚州首所允许女性学生入学并实行男女混合教育的大学。学校此后经历了长时间的入学人数增长，从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）被投资筹建了“殖民地威廉斯堡基金会”，原貌修复和重建18世纪的威廉斯堡、詹姆斯顿和约克镇。经过修复的“殖民地威廉斯堡”历史区，包括1英里长的主街、88座建筑物、400多处设施及90英亩花园绿地。 1930年，威廉玛丽学院在弗吉尼亚的诺福克（Norfolk, Virginia）建立了一所分校——威廉玛丽学院诺福克分校，从而扩张了学校面积。后来该校改名成为今日的欧道明大学（Old Dominion University），并从威廉玛丽学院独立出去变成一所州立学校。在第19任校长，约翰·斯图加特·布莱恩（John Stewart Bryan 1871-1944）任内（1934-1942），学校完成了大规模的扩建。1934年10月20日，富兰克林·德拉诺·罗斯福总统在威廉玛丽学院获得了荣誉学位。1935年，位于雷恩楼西侧的下沉花园（Sunken Garden）建成 ，该园的设计仿造雷恩爵士为伦敦皇家切尔西医院（Royal Hospital Chelsea）修筑的的一处类似景观。至少从1940年代开始，威廉玛丽学院就开始支持新闻自由。1945年，学校行政层决议制裁学生玛丽琳·卡美勒（Marilyn Kaemmerle）因为她在《平帽社》（The Flat Hat）校刊里发文呼吁结束种族隔离、反种族混杂和白人至上的政策。据《时代周刊》杂志报道，超过1000名大学生举办了一场抗议活动，宣称大学由托马斯·杰斐逊（威廉玛丽学院校友）所传承的自由原则遭到了侵害。数十年后，玛丽琳得到了大学监事会的赦免。1951年，威廉玛利学院的研究生院录取了黑人学生休伦·威利斯（Hulon Willis）因为当时该生申请的弗吉尼亚州立大学并未开设相关的研究生项目。然而，学院直至1970年代都没有再录取过非裔美国人。1960年，威廉玛丽学院联盟成立，这个短命的五校系统包括威廉玛丽学院、里士满职业学院（Richmond Professional Institute）、威廉玛丽学院诺福克分校、克里斯托弗纽波特学院（Christopher Newport College）和理查德布兰德学院（Richard Bland College）。该联盟于1962年解散。1974年，杰·温斯顿·约翰（Jay Winston Johns）立下遗嘱将其身下财产——占地535英亩（约2.17平方千米）的灰草坪高地（Ash Lawn-Highland）赠予学校。该高地地处历史悠久的弗吉尼亚阿尔比马尔县，曾为美国总统詹姆斯·门罗的地产。为此，威廉玛丽学院特地修复了这处靠近夏洛茨维尔（Charlottesville）的总统故居并向公众开放。1983年，G7所属政府首脑在威廉斯堡举行了峰会， 时任意大利总统范范尼、英国首相撒切尔、 日本首相中曾根康弘、美国总统里根、法国总统密特朗、西德总理科尔、 卢森堡首相托恩和加拿大总理特鲁多出席峰会并到访学院。1993年，已退休的前英国首相撒切尔夫人出任威廉玛丽学院的名誉校长。2012年7月25日，位于诺福克的东弗吉尼亚医学院（Eastern Virginia Medical School,EVMS）和威廉玛丽学院发表联合声明，宣布两校有意向合并。但诸如此类合并需要经过弗吉尼亚州议会和州长同意方可进行。对此，州政府决定暂时先向两校拨款20万美元。东弗吉尼亚医学院和威廉玛丽学院达成协定，就将来实行合并的可能性进行研究。