Вильгельм был старшим сыном Вильгельма де Варенна, 2-го графа Суррея, и Элизабет де Вермандуа, дочери Гуго Великого, графа Вермандуа. По материнской линии Вильгельм являлся правнуком французского короля Генриха I.
После смерти своего отца в 1138 г. Вильгельм унаследовал титул графа Суррея и обширные владения в Йоркшире, Норфолке, Суссексе и некоторых других графствах Англии. В начавшейся в 1135 г. гражданской войне в Англии между сторонниками Стефана Блуаского и императрицы Матильды, претендующих на королевский престол, Варенн поддержал Стефана. В 1141 г. он участвовал в битве при Линкольне, во время которой войска Стефана потерпели тяжёлое поражение, а сам король был пленён. Варенн, однако, бежал с поля боя и продолжил борьбу с Матильдой. В сентябре 1141 г. армия императрицы была разбита при Винчестере. Отряды Вильгельма де Варенна также приняли участие в этом сражении, а затем пленили Роберта Глостерского, лидера партии Матильды в Англии.
В 1147 г. Вильгельм де Варенн присоединился к участникам Второго крестового похода в Палестину, организованного французским королём Людовиком VII. На марше через Анатолию Варенн был убит во время неожиданной атаки сельджуков.
Вильгельм де Варенн был женат на Аделе де Монтгомери, дочери Вильгельма III, графа Понтье. Их единственным ребёнком и наследницей владений дома де Варенн в Англии была дочь Изабелла де Варенн (1137 — 12 июля 1203). Она вышла замуж в 1153 г. первым браком за Вильгельма де Блуа, младшего сына английского короля Стефана, после смерти которого сочеталась в 1164 г. вторым браком с Гамелином, единокровным братом короля Генриха II Плантагенета. Потомки Изабеллы и Гамелина унаследовали титул графа Суррей и владения де Вареннов в Англии и также приняли фамилию де Варенн.