Фридрих Вильгельм родился в Германии 26 ноября 1820 года в семье ландграфа Вильгельма Гессен-Кассельского. Получил высшее образование в Боннском университете. Готовился к военной карьере. Являлся претендентом на два престола: на трон Гессен-Касселя (по отцу) и трон Дании (по матери).
Летом 1843 года император Николай I пригласил сына ландграфа Вильгельма, наследника датского престола посетить Россию. Несколько недель принц Фридрих Вильгельм гостил в Петергофе, где царская семья обычно проводила летние месяцы. Там он познакомился и подружился с восемнадцатилетней Александрой, младшей дочерью императорской четы. Девушка произвела на него неотразимое впечатление не только обаянием и богатством души, но и своим чудесным голосом. Александра прекрасно пела и брала уроки пения у итальянского маэстро. Принц Гессен-Кассельский попросил её руки и получил согласие великой княжны. Не возражали и родители Александры, хотя знали, что ей придётся жить в Дании, с которой Россия того времени не имела никаких близких родственных связей. Бракосочетание было назначено на январь следующего года. Молодые люди должны были на время расстаться.
Когда Фридрих Вильгельм незадолго до свадьбы приехал в Петербург, он заметил внезапную перемену в своей невесте — на лице появилась болезненная бледность, часто слышался кашель. Однако это не явилось причиной, чтобы откладывать венчание. Свадьба состоялась 16(28) января 1844 года в Санкт-Петербурге. После свадьбы молодые не покинули Россию, как предполагалось раньше, а временно поселились в Зимнем дворце. Княгиня ожидала ребёнка и императрица Александра Фёдоровна хотела, чтобы дочь была поближе к матери.
Однако супружескому счастью не дано было длиться долго. Болезнь Александры быстро прогрессировала. 28 июля 1844 года у супругов родился сын Вильгельм, который прожил всего два дня. На следующий день скончалась и Александра Николаевна.
После похорон, состоявшихся в Петербурге, овдовевший принц Гессен-Кассельский покинул Россию.
В 1853 году Фридрих Вильгельм женился второй раз — на принцессе Марии Анне Прусской (1836—1918). От этого брака родились:
Вскоре после отъезда Фридриха из России вопрос о наследовании датского престола был пересмотрен. После смерти короля Кристиана VIII в январе 1848 года на престол вступил его сын Фридрих VII. Потом началась война с Пруссией, во время которой Учредительное собрание в Копенгагене приняло либеральную конституцию, монархия пошатнулась. В 1852 году был принят протокол о престолонаследии в пользу представителя младшей ветви принца Кристиана Глюксбургского, женатого на принцессе Луизе Гессен-Кассельской.
Всю оставшуюся жизнь Фридрих Вильгельм провёл в Германии. В 1867 году после смерти отца унаследовал титул ландграфа Гессен-Кассельского. Умер Фридрих Вильгельм 14 октября 1884 года во Франкфурте-на-Майне.