Вильгельм был сыном нормандского рыцаря Ральфа де Варенна и внучатой племянницы Гунноры, жены Ричарда I, герцога Нормандии. Как младший из братьев, он мог рассчитывать лишь на меньшую долю отцовского наследства. В молодости Вильгельм (французский вариант — Гийом) участвовал на стороне юного герцога Вильгельма в борьбе с мятежными баронами Котантена и отличился в кампаниях 1052—1054 гг. За его помощь герцог предоставил Вильгельму довольно значительные владения в Верхней Нормандии, в том числе и в долине речки Варенн, в честь которой Вильгельм и его потомки получили свою фамилию.
Варенн был одним из советников герцога Вильгельма и активных сторонников плана вторжения нормандцев в Англию. Когда в сентябре 1066 г. войска Вильгельма высадились на английском побережье, среди них был и отряд Варенна. Он участвовал в сражении при Гастингсе и последующем завоевании Англии. За свою поддержку Вильгельм получил от короля суссексский рейп Льюис, один из основных элементов в оборонительной системе юго-восточного побережья, а также земельные лены в других двенадцати английских графствах. Наиболее важными из них были владения в Норфолке и Йоркшире, где Вильгельм де Варенн возвёл замки Касл-Акр и Конисбро в виде классических ранненормандских укреплений типа «motte-and-bailey». Кроме того, Вильгельм построил замок в Льюисе, прекрасно сохранившийся до настоящего времени. К концу жизни, как свидетельствует «Книга страшного суда», Вильгельм де Варенн был одним из наиболее богатых англонормандских аристократов.
На протяжении всей своей жизни Варенн сохранял лояльность королю Вильгельму Завоевателю и его сыну. В 1088 г. он участвовал в подавлении восстания баронов против Вильгельма II, за что получил титул графа Суррея, хотя не имел никаких владений в этом графстве. Однако из-за ран, полученных во время боёв с мятежниками, Варенн вскоре после этого скончался.