Вильгельм был сыном Вильгельма де Варенна, 1-го графа Суррея, одного из наиболее активных участников нормандского завоевания Англии, и Гундреды, которая ранее считалась дочерью короля Вильгельма Завоевателя (в настоящее время эта версия отвергнута). Семья Варенна считалась одной из наиболее знатных в англонормандской монархии, а после смерти своего отца в 1088 г. Вильгельм унаследовал помимо графского титула обширные земельные владения в Верхней Нормандии, Норфолке, Йоркшире, Суссексе и других областях Англии. Около 1093 г. Вильгельм де Варенн попытался жениться на Матильде Шотландской, дочери Малькольма III, короля Шотландии, и правнучки англосаксонского короля Эдмунда Железнобокого. Однако Матильда отказалась от брака с Варенном, а немного позднее вышла замуж за Генриха I, короля Англии.
Когда в 1101 г. в Англии вспыхнул мятеж баронов против короля Генриха I, Вильгельм де Варенн стал одним из руководителей восстания. Он участвовал во вторжении нормандского герцога Роберта Куртгёза в Англию, а после поражения мятежа был вынужден эмигрировать из страны, лишившись своих английских владений и титулов. Прибыв в Нормандию, Варенн обвинил герцога в недостаточной энергичности во время восстания 1101 г., что привело к конфискации значительной части нормандских земель семьи. В 1103 г., после примирения Генриха I и Роберта Куртгёза, английский король простил Вильгельма де Варенна и возвратил ему титул графа Суррея и его земельные владения. В дальнейшем Вильгельм оставался верным королю Генриху на протяжении всего его правления, а в 1106 г. командовал одним из английских отрядов во время битвы при Таншбре, в результате которой Нормандия была завоёвана Англией. В 1110 г. Генрих I передал Варенну часть земель в Верхней Нормандии, конфискованных у сторонников Вильгельма Клитона, в результате чего Варенн стал одним из крупнейших землевладельцев и опорой короля в этом регионе.
Положение Вильгельма де Варенна при дворе короля Англии было достаточно прочным, что позволяло ему претендовать на брак с одной из многочисленных побочных дочерей Генриха I. Однако архиепископ Ансельм запретил этот союз, ссылаясь на близкое родство Варенна и короля. Тем не менее в 1118 г. Вильгельму удалось найти себе жену королевских кровей: он сочетался браком с Элизабет де Вермандуа, дочерью Гуго Великого, графа Вермандуа и внучкой французского короля Генриха I. Элизабет к этому времени осталась вдовой после смерти своего первого мужа Роберта де Бомона, 1-го графа Лестера. По легенде, любовные отношения Элизабет и Вильгельма де Варенна начались задолго до их брака, а когда это стало известно, Роберт де Бомон скончался от унижения.
В 1119 г. Вильгельм де Варенн участвовал в сражении при Бремюле, в котором английские войска нанесли поражение французскому королю Людовику VI, а в 1135 г. он присутствовал у постели умирающего Генриха I.
От брака с Элизабет де Вермандуа Вильгельм де Варенн имел пятерых детей: