Воцарение Вильгельма имело огромные последствия для развития Англии. Он основал единое Английское королевство, утвердил законоположения и систему управления им, создал армию и флот, провёл первую земельную перепись («Книга страшного суда»), начал строить каменные крепости (первой в 1078 году стал Тауэр). Английский язык обогатился многими сотнями французских слов, однако ещё 3 столетия считался «простонародным наречием» и среди знати не употреблялся.
Вильгельм родился в 1027 или 1028 году в нормандском городе Фалезе. Он был незаконным, но единственным сыном правителя Нормандии, герцога Роберта II Великолепного, и его конкубины Герлевы, дочери Фулберта, зажиточного горожанина из Фалеза. Возможно от этой связи родилась также дочь Аделаида, однако существуют сомнения в этом, учитывая прямое свидетельство Роберта де Ториньи, что Аделаида не являлась дочерью Герлевы..
В 1034 году Роберт, отправляясь в паломничество, объявил Вильгельма престолонаследником (традиционное право викингов не давало законным детям каких-либо преимуществ перед незаконными). Он выдал Герлеву замуж за своего вассала — Герлуина, виконта Контевилля, желая, судя по всему, обеспечить её будущее. От этого брака родилось два сына, Одо и Роберт, ставшие верными соратниками своего сводного брата.
Нормандская знать в то время предпочитала избегать браков по христианскому обряду, предпочитая заключать браки норманнского типа. Этот союз не имел благословения церкви и мог быть отменён в любой момент — если была государственная необходимость вступить в христианский брак. Многие нормандские герцоги и члены их семей имели официальных любовниц, а с церковной точки зрения законнорожденность многих представителей рода вызывала сомнение. Однако французская знать дала Вильгельму прозвище Незаконнорожденный, Бастард (лат. Notus, Bastardus).
Нормандское герцогство, унаследованное Вильгельмом, отличалось, с одной стороны, достаточно централизованной системой управления, основанной на хорошо развитой военно-ленной системе и обширном герцогском домене, а с другой стороны, огромной массой мелких рыцарей, потомков скандинавских викингов, поселившихся в Нормандии в IX веке, чья энергия выплёскивалась в завоевательных походах в Южную Италию. Нормандия находилась в вассальной зависимости от короля Франции, однако зависимость во многом была формальной, поскольку первые короли Франции из династии Капетингов фактически правили только в своём домене. Формально Нормандия считалась графством, однако власть её правителей ничем не уступала королевской, поэтому в XI веке правители Нормандии присваивают себе герцогский титул. Гильом де Пуатье в «Деяниях герцога Вильгельма», написанной в 1073/1074 годах, называет Вильгельма то графом (лат. comes), то герцогом (лат. dux), то принцепсом (лат. princeps). Ордерик Виталий в написанной около 1141 года «Церковной истории» часто называет Вильгельма с титулом маркиз (лат. marchio).
На севере от Нормандии располагались графства Фландрия и Понтье, на востоке — Иль-де-Франс, входивший в домен короля Франции, на юге — графства Шартр, принадлежавшее графам Блуа, и Мэн, за которое герцоги Нормандии постоянно спорили с графами Анжу, а на юго-западе — герцогство Бретань, на которое герцоги Нормандии не раз выдвигали претензии, сталкиваясь при этом с графами Анжу, также претендовавшими на влияние в Бретани.
На территории самой Нормандии в это время существовали владения как светских баронов, постоянно враждовавших между собой и с герцогами, так и церковные владения. Главным церковным иерархом был архиепископ Руана, кроме того существовало 6 епископств с центрами в Эврё, Лизьё, Байё, Кутансе, Авранше и Сеэзе. Кроме Сеэзской епархии, которая зависела от сеньоров Беллемских, остальные подчинялись непосредственно герцогу, назначавшему на кафедры своих родственников. Также в Нормандии существовало много монастырей.
В 1035 году во время возвращения из паломничества в Иерусалим умер герцог Роберт II, отец Вильгельма, которому в этот момент было всего около 7 лет. Поскольку он был внебрачным сыном Роберта, многие не признавали его прав на герцогскую корону. Однако среди многочисленных представителей нормандской династии не нашлось кандидатуры, которая устроила бы всех. Поэтому Вильгельм был провозглашён герцогом. Однако централизованная власть в Нормандии в начале правления малолетнего герцога отсутствовала.
Согласно завещанию Роберта II, опекунами Вильгельма были Ален III, герцог Бретани, Жильбер, граф де Брион, двоюродные братья Роберта, а также сенешаль Нормандии Осборн. Однако они были убиты и не дожили до совершеннолетия Вильгельма. До 1037 года главным союзником Вильгельма был архиепископ Руана Роберт д'Эврё, незаконнорожденный сын Ричарда I, прадеда Вильгельма, однако после смерти Роберта новый архиепископ Можер, незаконный сын Ричарда II, деда Вильгельма, был противником молодого герцога. Поддержку Вильгельму в это время оказывала семья матери, однако подробности этого периода известны очень плохо. К счастью для Нормандии её соседи в это время были заняты междоусобицами и не обращали внимание на события в герцогстве.
В 1042 году в возрасте 15 лет Вильгельм был посвящён в рыцари королём Франции Генрихом I, после чего стал больше принимать участие в управлении герцогством. Трудное детство сильно повлияло на его характер. По сообщению хронистов он не умел читать, был человеком подозрительным и скрытным, ненавидел раздоры и отличался деспотичностью в любой области жизни.
Первый период правления Вильгельма был посвящён укреплению герцогской власти и обороне границ. Первые шаги Вильгельма по управлению герцогством вызвали в 1046 году восстание в Верхней Нормандии, которое возглавил двоюродный брат (и друг детства) Вильгельма Ги, второй сын графа Бургундии Рено I, граф Вернона и Бриона, которого поддержали виконт Котантена Нигель, виконт Байе Ранульф, а также ряд других более мелких сеньоров. Вильгельм ничего не смог противопоставить восставшим и был вынужден бежать из Нормандии, обратившись за помощью к королю Франции Генриху I. В 1047 году Вильгельм при поддержке французского короля Генриха I вторгся в область Имуа, где им удалось разбить войска мятежных баронов в битве при Валь-эс-Дюн (Долина Дюн, к юго-востоку от Кана). Мятежники бежали за реку Арну. Король Генрих после этой победы вернулся в свои владения, а Вильгельм продолжил преследование баронов, осадив Брион, осада которого длилась вероятно до конца 1049 года. Победа позволила Вильгельму закрепиться на престоле герцогства.
В 1052 году Вильгельму пришлось подавлять ещё одно крупное восстание, которое возглавлял его дядя, Вильгельм Аркский, граф Талу, которого поддерживал архиепископ Руана Можер. В 1053 году Вильгельм осадил Арк и, в конце концов, захватил его. Вильгельм Аркский был вынужден сдаться и был изгнан в Булонь. В 1054 или 1055 году Вильгельм добился также низложения Можера, который был сослан на остров Гернси. Это было последнее крупное восстание знати в Нормандии во время правления Вильгельма.
Позже Вильгельму удалось избавиться и от ряда других врагов из своей семьи. В 1056 году он обвинил в мятеже Вильгельма Герлана, графа Мортена, изгнал его, передав Мортен своему сводному брату Роберту. Также он выгнал Вильгельма Бюсака, второго сына Вильгельма I, графа Э.
В итоге Вильгельм навёл порядок в собственном герцогстве. Были разрушены замки баронов, построенные в период его несовершеннолетия, введены строгие наказания за нарушение «герцогского мира», создана разветвлённая структура местной администрации, подчинённая непосредственно герцогу. Самыми важными должностными лицами стали виконты, причём эта должность превратилась в наследственную. В этом отношении Вильгельм значительно опередил последующие мероприятия королей Франции. Он также уделял повышенное внимание делам церкви и поддерживал усилия по реформированию церковных институтов в духе клюнийского движения. Не злоупотребляя своей возможностью влиять на назначение епископов и аббатов, Вильгельм обеспечил себе поддержку как местного высшего духовенства, так и самого папы римского.
Также Вильгельм постарался наладить дипломатические отношения с соседями и защитить границы Нормандии от посягательств соседних правителей. Около 1049 года Вильгельм начал переговоры с графом Фландрии Бодуэном V, прося руки его дочери Матильды. Однако известие о возможности такого брака вызвало недовольство императора Священной Римской империи Генриха III, недовольного тем, что Бодуэн приобретает себе союзников за пределами империи. В итоге в октябре 1049 года на Реймсском соборе союзник императора, папа римский Лев IX запретил этот брак по причине кровного родства. Несмотря на это, в 1053 году Вильгельм женился на Матильде. От этого брака родилось четверо сыновей и шесть дочерей. Разгневанный папа немедленно отлучил Вильгельма от церкви. Это наказание было снято только спустя 6 лет (1059), когда при новом папе Николае II отношения Нормандии с Римом улучшились; герцог обязался во искупление греха непослушания построить 4 богадельни и 2 монастыря.
Также Вильгельм распространил свое влияние на соседей благодаря браку своей сестры Аделаиды, выданной в 1052 году замуж за Энгеррана II, графа Понтье. После гибели Энгеррана в 1053 году герцог Вильгельм конфисковал Омальское графство, находившееся в вассальной зависимости от Нормандии, и передал его Аделаиде, а саму её выдал за Ламберта II, графа Ланса, младшего брата Евстахия II, графа Булони. Возможно этот брак был призван укрепить союзные отношения между Нормандией и Фландрией, поскольку Ламберт являлся одним из доверенных лиц графа Бодуэна. Однако уже в 1054 году Ламберт был убит при осаде Лилля войсками императора Генирха III. Позже Аделаида была выдана замуж за Эда III де Блуа, графом де Труа и Мо, лишившегося своих владений в Шампани. Эд, муж Адели, сблизился с Вильгельмом и позже принял активное участие в завоевании Англии.
Считается, что к этому же времени относятся контакты Вильгельма с королём Англии Эдуардом Исповедником. По отцовской линии Вильгельм был внучатым племянником Эммы, жены английского короля Этельреда II и матери Эдуарда. После гибели мужа она вышла замуж за нового короля Англии Кнуда Великого. В 1042 году Эдуард, который более 25 лет провел в изгнании при дворе герцога Нормандии, стал королём Англии. К сожалению сохранились только источники, в которых показана норманнская версия событий. Согласно сообщению Гильома де Пуатье, Эдуард любил Вильгельма как брата или сына, поэтому он именно его назначил своим наследником. Однако никаких других подтверждений этому сообщению нет, а поскольку очевиден факт, что главной целью биографии Вильгельма, написанной Гильомом де Пуатье, было оправдание завоевания Англии, то ко всем его известиям нужно относиться осторожно.
Став королём, Эдуард начал активно привлекать нормандских дворян на свою службу, стремясь создать себе опору против могущественной англо-датской аристократии, контролировавшей рычаги управления англосаксонского государства. Многие нормандские рыцари и священнослужители получили высокие посты и земельные владения в Англии. Сестра короля Эдуарда вышла замуж за Дрого, графа Вексена, одного из соратников отца Вильгельма. Согласно Гильому де Пуатье, Эдуард, не имевший детей, объявил Вильгельма своим наследником, что было одобрено английским витенагемотом. Вероятно источником для этого известия был составленный в 1066 году документ для официального уведомления европейских правителей о завоевании Англии. По сообщению одного из английских хронистов для этого Вильгельм побывал в Англии в 1051—1052 году, но по мнению современных историков это могло произойти в 1050—1051 годах, поскольку в 1051/1052 годах Вильгельм был занят осадой Донфрона. Причиной для такого решения короля Эдуарда мог послужить союз между Нормандией и Фландрией, направленный против императора Генриха III, союзника Англии. И если такое событие действительно имело место, то это могло быть вынужденной мерой для защиты Англии от Фландрии. Однако это вполне могло быть только дипломатической игрой. Датский конунг Свен Эстридсен уверял, что он также был объявлен наследником. Позже Эдуард пытался вернуть Эдуарда Этелинга, сына своего брата, выгнанного Кнутом из Англии и жившего в Венгрии. Однако перед Вильгельмом появилась перспектива обретения английской короны. В 1052 году, под давлением лидера англо-датской аристократии эрла Годвина, Эдуард Исповедник был вынужден изгнать норманнов из страны, но стороны при этом соблюдали заключённый договор, бывший гарантом защиты от пиратства на Ла-Манше.
В 1050-х годах произошло несколько конфликтов Вильгельма с королём Франции, а также с Жоффруа II Мартелом, графом Анжу, который был очень серьёзным противником Вильгельма. Ещё около 1049 году Вильгельм в союзе с королём Генрихом, недовольным непокорством графа Жоффруа, участвовал в походе на анжуйские земли. А вскоре начался серьёзный военный конфликт, в который оказался вовлечён также король Франции.
В 1051 году умер граф Мэна Гуго IV. Воспользовавшись этим, Жоффруа Анжуйский вторгся в Мэн, став его фактическим хозяином. Семья покойного герцога, его вдова Берта де Блуа, их дети Герберт II и Маргарита, а также епископ Мана Жерве (Гервасия), были вынуждены бежать и укрыться при нормандском дворе. Поскольку при завоевании Мэна также были захвачены замки Домфрон и Алансон, принадлежавшие сеньорам из дома Беллемов, вассалам Вильгельма, то Вильгельм счёл возможным вмешаться. Он довольно быстро осадил Домфрон. Вскоре в Мэн также вторглась армия короля Франции Генриха I, призванного Вильгельмом. Во время одной из вылазок Вильгельм захватил и поджег Алансон, жители которого выкрикивали оскорбления для Вильгельма, обзывая его скорняком. Всем жителям, насмехавшихся над ним, Вильгельм приказал отрубить руки и ноги. Это событие получило название «Алансонская резня». Позже сдался и Домфрон. Построив чуть дальше вглубь графства замок в Амбриере, Вильгельм отступил обратно в Нормандию.
Однако в 1052 году Жоффруа договорился о мире с королём Генрихом, который, опасаясь возросшей мощи Вильгельма, превратился из его союзника в противника. С этого момента Генрих начал подстрекать внутренних и внешних врагов нормандского герцога, в числе которых были граф Блуа Тибо III, герцог Аквитании Гильом VII, а также правители Бретани — граф Пентьевра Эон I, регент Бретани, а позже его племянник, герцог Конан II. Однако, несмотря на то, что его главные союзники, графы Фландрии, Понтье и Булони, не оказывали ему никакого содействия, Вильгельм смог противостоять своим врагам. При этом ему пришлось ещё заниматься подавлением восстания Вильгельма Аркского.
Первое нападение армии Генриха I произошло в 1053 году, в 1054 году началось крупномасштабное вторжение, в котором также участвовали отряды герцога Аквитании и графов Бургундии и Анжу. Генрих разделил армию на 2 части, но после того, как вторая армия, которой командовал брат короля Эд, была разбита под Мортемером, король был вынужден отступить. При этом в плен попало много знатных пленников, включая Ги I, графа Понтье, который после двухлетнего заключения согласился стать вассалом Вильгельма.
До 1060 года война шла с переменным успехом. В 1054 году Вильгельм вторгся в Мэн. В ответ в 1057 году Генрих и Жоффруа Анжуйский опять вторглись в Нормандию, разорив при этом часть герцогства к западу от реки Орн. Но при переправе через реку Див у Варавиля в 1058 году армию застал врасплох прилив, чем воспользовался Вильгельм, полностью разгромивший арьергард. В 1059 году французская армия была также разбита при Мортемере.
Лишь после смерти короля Генриха и Жоффруа Мартела в 1060 году положение изменилось. Регентом Франции стал Балдуин V, граф Фландрии, тесть Вильгельма. В том же году в Дрё Вильгельм принёс оммаж новому сюзерену, малолетнему королю Филиппу I. В Анжу начались усобицы, вызванные борьбой за наследство бездетного Жоффруа между его племянниками. Это позволило Вильгельму перейти к подчинению Мэна.
Поскольку наследники Мэна жили при его дворе, Вильгельм принял оммаж у Герберта I