Уильям Хартнелл родился 8 января 1908 года в Лондоне. Детство провёл в Девоне вместе с родственниками своей матери. Хартнелл никогда не был близок с отцом.
Известно, что Хартнелл часто убегал из школы и творил мелкие преступления. Тогда же, в детстве, он стал увлекаться верховой ездой. Его тренер Хью Блейкер впоследствии отдал Хартнелла в Государственную Транспортную Коллегию, но будущий актёр там долго не задержался. В 1925 году он пошёл в театр, где работал вместе с актёром Френком Бенсоном.
Во время Второй мировой войны Хартнелл служил в танковом корпусе, но получил ранение и вернулся к актёрской деятельности.
В 1929 году Уильям Хартнелл женился на актрисе Хезер Макинтайр, с которой они вместе играли в спектакле «Узник мисс Элизабет». Они имели единственную дочь Хезер Энн Хартнелл и две внучки, одна из которых является автором единственной биографии актёра, которая называлась «Кто там?».
Известный актёр ушел из жизни 23 апреля 1975 года из-за острой сердечной недостаточности в возрасте 67 лет.
Свою первую роль в театре Хартнелл получил в 1928 году в спектакле «Узник мисс Элизабет». В 1932 году получил роль в пьесе «Скажи это под музыку».
Впервые появился на киноэкране в 1947 году в фильме «Брайтонская скала». Потом были две «военных» роли — роль сержанта в первом фильме из серии «Carry On» и роль сержанта-майора Перси Баллимора в телесериале «Армейские игры». В 1963 году он сыграл одну из своих лучших ролей в фильме «Такова спортивная жизнь».
В 1963 году телекомпания BBC начала новый научно-фантастический телесериал «Доктор Кто», которому суждено было стать одним из самых успешных проектов в истории телевидения. На главную роль был приглашен уже достаточно известный на тот момент актёр Уильям Хартнелл. Три года, в течение которых Хартнелл исполнял эту роль, принесли сериалу безумную популярность. Однако актёр был настолько невыносимым человеком с ярко выраженными расистскими склонностями, что авторам сериала пришлось попросить его уйти из сериала. Тогда Сидни Ньюмен придумал то, что помогло продолжить сериал до нашего времени: с приближением смерти Повелители Времени могут изменять тело. Таким образом, в 1966 году состоялась первая регенерация Доктора, и роль получил Патрик Тротон. Говорят, Хартнелл сам утвердил Тротона на эту роль.
Роль Доктора стала наибольшей и в то же время последней ролью в его жизни. После ухода из сериала он не получал больше приглашений на съемки, но в 1973 году ему удалось вернуться на съемочную площадку «Доктора Кто». Он снялся в специальном выпуске, посвященному десятилетию сериала — «Три Доктора». Через 10 лет в спецвыпуске роль Первого Доктора сыграл уже другой актёр — Ричард Харндол.
1947 — Выбывший из игры
1963 — Небеса над нами
1963 — Такова спортивная жизнь — «Папа» Джонсон
1963 — 1966 — Доктор Кто — Первый Доктор