У.Чамберс родился в семье торговцев, переселившейся в его детстве в Йоркшир. С 1740 года находится при Шведской Ост-Индской компании. Совершает поездки на Восток, при этом изучает в Китае местное зодчество и планировку садов и парков.
После возвращения в Европу Чамберс посещает в 1749 году парижскую Школу искусств, где учится у Жака-Франсуа Блонделя. Следующие 5 лет он проводит в Риме, изучает античное искусство и школы ренессанса. В 1755 он приезжает в Англию. В последующие годы У. Чамберс (наряду с Робертом Адамом) был крупнейшим лондонским зодчим, личным архитектором Августы Саксен-Готской, принцессы Уэльской. Она расширила Королевские ботанические сады в Кью, где Чамберс построил ряд сооружений (Большую пагоду и другие). В 1776—96 гг. возвел новое здание Сомерсет-хауса в Лондоне.
С 1768 года Чамберс — член Королевской академии художеств, занимал также должность королевского генерал-интенданта по строительству.