У.Патерсон уже в юности заинтересовался ботаникой. Вскоре по достижении им 20-ти лет его посылает Мэри Боуэс, графиня Стратмор, в Южную Африку для составления коллекции растений. В мае 1777 года У.Патерсон прибывает на корабле Хайтон в Кейптаун. Оттуда он совершает экспедиции к Столовой горе и вглубь африканского континента (май 1777-март 1780).
В 1781 году У.Патерсон поступает на службу в 98-й Шотландский пехотный полк, с которым отправляется в Индию. В 1783 году ему присваивается звание лейтенанта. После расформирования полка он возвращается в Англию и служит далее в 73-м пехотном полку. В июне 1789 года Патерсон назначается капитаном корпуса Нового Южного Уэльса. В октябре 1791 он прибывает на корабле в Сидней. Затем, во главе военного отряда с ноября 1791 по март 1793 служит на острова Норфолк.
В 1793 году, в Австралии, путешественник безуспешно пытается найти проход в Голубых горах. Тем не менее, во время этой экспедиции он открывает реку Гросе и обнаруживает несколько неизвестных ранее видов растений. В 1801 году У.Патерсон возглавляет исследовательскую экспедицию в Австралии, в Хантер Вэлли. В 1804 году он возглавляет экспедицию в Тасманию, где изучает местность в районе нынешнего города Лонсестон, реку Тамар Ривер и, первым из европейцев, продвигается со своими людьми вплоть до Норт Иск Ривер. В течение этих своих путешествий У.Патерсон находился в постоянной переписке с известным ботаником Джозефом Банксом, которому посылал также и собрания растений, в том числе и ранее неизвестных.
В 1794 году Патерсону присваивается звание лейтенант-полковника и он становится командующим Корпусом Нового Южного Уэльса. Находясь на этом посту, он отводит своим офицерам значительные участки земли и предоставляет им дополнительное число каторжников для работ. С 1804 по 1808 год он — вице-губернатор северной территории Ван Дименс.
Политическая ситуация в колонии Новый Южный Уэльс была крайне сложной. Офицеры корпуса, возглавляемого У.Патерсоном, контролировали производство спиртных напитков и торговлю ими на территории колонии . После отъезда в Англию заболевшего губернатора Артура Филлипа, Новый Южный Уэльс остался без главы администрации. В колонии, насчитывавшей около 4.000 жителей, при всё увеличивающемся изготовлении джина и рома, начали распространяться пьянство, выросла преступность. В прошлом также некоторые дейстующие губернаторы (Джон Хантер, Филип Гидли Кинг) пытались ограничить влияние офицерства корпуса в колонии, но безуспешно. После того, как в 1808 году губернатором становится Уильям Блай, он начинает решительно бороться со злоупотреблениям в колонии и открывает против ряда офицеров судебный процесс. Однако это привело к открытому бунту военных в Австралии, отказавшихся следовать приговору и производить аресты. Вместо этого 25 января 1808 года был арестован сам У.Блай. Задержавший его полковник Джонстон возглавил руководство колонией и отстранил от службы всех гражданских чиновников. Вице-губернатор Нового Южного Уэльса Фове в это время находился в Лондоне и, по возвращении, сместил Джонстона. В свою очередь, Патерсон приказал аремтовать самого Фове. 1 января 1809 года У.Патерсон становится лейтенент-губернатором колонии и параллельно с июня 1809 года — командующим её вооружёнными силами. Находившийся всё это время в тюремном заключении У.Блай был оправлен в Англию, некоторые из его сторонников, собиравшие подписи под петицией в защиту бывшего губернатора — посажены на его место, в тюрьму. В конце 1809 года У.Патерсона на посту губернатора Нового Южного Уэльса сменил Лахлан Макквайр.
Состояние здоровья бывшего губернатора в начале 1810 года резко ухудшилось, и в мае 1810 года он из Сиднея отправляется в Англию. Скончался на борту корабля в пути.