Вильгельм IV был протестантом, как и все из дома Нассау. Он женился на Марии Анне Португальской, веря, что у католической страны должен быть католический монарх. С того времени Вильгельм IV и остальные герцоги Люксембургские стали католиками.
После смерти его дяди, принца Николая-Вильгельма в 1905 году, единственным легитимным претендентом на престол в Доме Нассау стал двоюродный брат Вильгельма, Георг Николай, рождённый от морганатического брака. И в 1907 году он назначил свою старшую дочь Марию-Аделаиду наследницей престола. Она стала первой правящей монархиней в Люксембурге со смерти её отца в 1912 году до своего отречения в 1919 году, и была сменена своей младшей сестрой, Шарлоттой. Потомки Шарлотты правят Люксембургом по сей день.
21 июня 1893 года Вильгельм IV женился в Цель-ам-Зе на Марии Анне, дочери смещённого португальского короля Мигеля I и Аделаиды Лёвенштайн-Вертхайм-Розебергской. У пары было шестеро детей, все — дочери: