Вильгельм Дёрпфельд родился в семье педагога Фридриха Вильгельма Дёрпфельда. По окончании получившей впоследствии его имя школы в 1872 г. в Эльберфельде он изучал архитектуру в берлинской Строительной академии. Его карьера в археологии и архитектуре началась с работы в бюро его учителя (а позднее и тестя) Фридриха Адлера.
В 1877 г. Дёрпфельд прибыл в Олимпию в качестве ассистента архитектора раскопок Рихарда Бона. В 1878 г. двадцатипятилетнему Дёрпфельду уже было доверено техническое руководство раскопками. По окончании работ в Олимпии в 1882 г. Карл Хуманн пригласил его на раскопки Трои, которые он продолжил и после смерти Хуманна. Лишь ему удалось дать первое ясное объяснение многочисленных культурных слоёв Трои.
С 1884 по 1885 гг. Дёрпфельд вместе с Шлиманом участвовал в раскопках Тиринфа. В 1900—1913 гг. Дёрпфельд работал с Александром Конце в среднем и нижнем городе в Пергаме. В 1931 г. Дёрпфельд проводил исследования на афинской Агоре.
С 1912 г. Дёрпфельд отошёл от дел, в качестве почётного профессора с 8 апреля 1923 г. читал лекции в Йенском университете.
С 1886 по 1912 гг. Дёрпфельд занимал должность второго секретаря (директора) Немецкого археологического института в Афинах и считается основателем научной теории ведения раскопок в археологии. Благодаря разработанным им методам раскопок увеличился объём получаемых исторических данных. За свои выдающиеся успехи в области археологии Дёрпфельд стал семикратным почётным доктором и в 1892 г. получил звание профессора.