Член ВКП(б) с 1928 года, депутат Моссовета и Верховного Совета СССР 1-го созыва. Лауреат Ленинской премии (1931).
Выпускник Петровской сельскохозяйственной академии. Учёный-педагог: профессор и заведующий кафедрой общего земледелия и почвоведения Московской сельскохозяйственной академии им. Тимирязева, её директор с 1907 года, ректор в 1922—1925 гг. Основатель и первый заведующий кафедрой «Основы земледелия и растениеводства» Московского института механизации и электрификации сельского хозяйства. Автор около 450 научных работ.
Обосновал ведущую роль биологических факторов в почвообразовании, создал учение о малом биологическом круговороте веществ как основе развития почв, высказал идею о единстве развития неорганической и органической природы, разработал и обосновал травопольную систему земледелия. В. Р. Вильямс считал, что свойством плодородия обладает лишь мелкоструктурная комковатая почва и что структура почвы — это главное условие получения хороших урожаев.
Вел острую полемику с «минеральными» и «формально-дедуктивными» агрохимиками, под которыми подразумевались последователи Д. Н. Прянишникова. К 1937 году научная полемика трансформировалась в борьбу с «врагами народа». В результате дискуссии между В.Р.Вильямсом и академиком Н. М. Тулайковым о пользе применения травопольной системы земледелия, Н. М. Тулайков был арестован в 1937 году и погиб. При содействии В. Р. Вильямса научная школа академика Прянишникова понесла невосполнимые потери.
В 1917 году основал под Москвой (ныне это территория города Лобни, у платформы Луговая Савёловского направления) опытную станцию по изучению кормовых растений и кормовой площади (с 1922 года Государственный луговой институт, в 1930 году переименован во Всесоюзный, а в 1992 году — во Всероссийский научно-исследовательский институт кормов). Этот институт сегодня носит имя В. Р. Вильямса. Его имя также носит Казахский научно-исследовательский институт земледелия.
Ученицей Вильямса была видный советский учёный в области сельского хозяйства, кавалер Ордена Ленина Гельцер, Фаня Юрьевна.