Мать Аполлинера — польская аристократка Анжелика Костровицкая герба Вонж, родившаяся в Великом княжестве Финляндском, в Гельсингфорсе. Родовое гнездо Костровицких, как и Мицкевича, находилось в Новогрудке (ныне Беларусь). Вильгельм и его брат Альберт родились у Анжелики в Риме, причём обоих она официально признала своими детьми не сразу. Кто был их отцом (отцами), неизвестно. Возможно, отцом будущего поэта был Франческо Флюджи д’Аспермонт, итало-швейцарский аристократ.
Детство Аполлинер провел в Италии, учился в колледжах Монако, Канна и Ниццы, в 1899 семья поселилась в Париже.
В качестве литературного псевдонима Костровицкий выбрал французские варианты двух своих имён — Вильгельм (Guillaume) и Аполлинарий (Apollinaire; это имя носил также его дед). В 1910-е активный публицист: хроникер в «Меркюр де Франс», критик в «Пари-журналь» (Paris-journal); в 1912—1913 с Андре Билли редактировал журнал «Суаре де Пари» (Soir?es de Paris), писал о современной живописи: «Художники-кубисты» (Les peintres cubistes, 1913). Поддерживал дружеские отношения с художниками Пабло Пикассо, Андре Дереном, Франсисом Пикабия, Морисом де Вламинком и Анри Руссо. В 1907 познакомился с художницей Мари Лорансен; до 1912 состоял с ней в любовной связи.
Весной 1917 года по личной просьбе Дягилева и Кокто Аполлинер выступил с манифестом искусства будущего, под названием «Новый дух». Сопровождая скандально прогремевший в мае 1917 года балет Эрика Сати «Парад», созданный «Русским балетом» в сотрудничестве с Пикассо, апполинеровский «Новый дух» на добрые два десятка лет определил развитие молодой музыки Франции.
Художественная проза Аполлинера носила оттенок либертинажа: роман «Одиннадцать тысяч розог» (Onze mille verges, 1907), повести «Рим под властью Борджиа» (La Rome des Borgia, 1913), «Конец Вавилона» (La fin de Babylone, 1914), «Три Дон Жуана» (Les trois Don Juan, 1914). В том же эстетическом ключе выдержана издательская серия «Мэтры любви» (Les maitres de l’amour, 1909—1914), куда Аполлинер включил подробно откомментированные тексты маркиза де Сада, Пьетро Аретино и др.; в 1913 он составил каталог «Ад Национальной Библиотеки» (L’Enfer de la Biblioth?que nationale).
Одним из первых поэтических сборников Аполлинера стал цикл коротких стихотворных фрагментов «Бестиарий, или кортеж Орфея» (Le Bestiaire ou le cort?ge d’Orph?e, 1911), где старинная поэтическая форма катрена и приемы эмблематического письма сочетались с исповедальной меланхолической интонацией. В 1913 Аполлинер объединил свои лучшие стихи в первый крупный сборник «Алкоголи» (Alcools). Современники чутко отреагировали на новаторский характер сборника (отсутствие пунктуации, перепады тона, барочные образы). В 1916 вышел сборник новелл «Убиенный поэт» (Le po?te assassin?), открывающийся мистифицированной и трагичной автобиографией; в 1918 появился сборник «лирических идеограмм» «Каллиграммы»(Calligrammes), отчасти предвосхищающий «автоматическое письмо» сюрреалистов, а также — провозглашённый в 1924 году румынским художником-сюрреалистом Виктором Браунером синтетический «Манифест пиктопоэзии».
В конце 1910-х вокруг Аполлинера сложился круг молодых поэтов-сюрреалистов — Андре Бретон, Филипп Супо, Луи Арагон, Жан Кокто. Термин «сюрреализм» принадлежит Аполлинеру; в 1917 была поставлена его «сюрреалистическая драма» «Сосцы Тиресия» (Les mamelles de Tir?sias), где проблемы современности преподнесены в духе аристофановых фарсов.
Находясь на фронте, 17 марта 1916 года Аполлинер был ранен в голову осколком снаряда; в мае перенес трепанацию черепа. Осенью 1918 Аполлинер, ослабленный операцией, умер от эпидемии испанского гриппа. Похоронен на кладбище Пер-Лашез в Париже.
На русский язык стихи Аполлинера переводили И.Тхоржевский, Б.Лившиц, М.Зенкевич, П.Антокольский, М.Кудинов, Э.Линецкая, М.Ваксмахер, Ю.Даниэль (под именем Б.Окуджавы), А.Гелескул, Г.Русаков, Б.Дубин, И.Кузнецова, А.Давыдов, Н.Стрижевская, Е.Кассирова, М.Яснов, О. Хаславский и др.
Стихотворение из сборника Vitam impendere amori (1917) было использовано в песне «Моя молодость» группы «Браво» (русскоязычный перевод Э.Линецкой).