Она была младшей дочерью Иоганна Фридриха, герцога Брауншвейг-Люнебургского и Бенедикты Генриетты Пфальцской. Её двумя выжившими сестрами были Шарлотта Фелицитас (1671—1710), которая вышла замуж за герцога Модены Ринальдо д’Эсте (1655—1737), и Генриетта Мария (1672—1757), которая никогда не выходила замуж. Вильгельмина получила католическое образование в женском монастыре Мобуиссона, благодаря своей двоюродной бабушке Луизе Пфальцской. Она не возвращалась в Ганновер, пока в 1693 году ей не исполнилось 20 лет. Императрица Священной Римской империи Элеонора Магдалина Пфальц-Нойбургская выбрала Вильгельмину Амалию в качестве невесты для старшего сына Иосифа.
24 февраля 1699 года состоялось венчание принцессы Вильгельмины Амалии и эрцгерцога Иосифа. После избрания в 1705 году Иосифа императором Священной Римской империи титул императрицы получила и Вильгельмина Амалия. В браке родились:
Брак оказался неудачным. У Иосифа было множество фавориток. Будучи старше супруга на пять лет, Вильгельмина Амалия не оказывала на Иосифа I никакого влияния ни в семейных, ни в государственных делах. Отношения между супругами окончательно прекратились после рождения третьего ребёнка. Считается, что императрица стала бесплодной из-за венерической болезни, которой заразил её супруг.
В 1711 году императрица овдовела. Так, как единственный сын Иосифа и Вильгельмины Амалии умер в младенчестве, титул императора унаследовал младший брат Иосифа — эрцгерцог Карл.
К 1713 году династия Габсбургов не имела наследника мужского пола. Оба императора имели только дочерей. Желая обеспечить наследование престола, император Карл VI издал прагматическую санкцию, которая позволяла передавать все права по женской линии при отсутствии наследников-мужчин. При этом наследницей он назначил свою дочь Марию Терезию, проигнорировав дочерей своего старшего брата.
После смерти в 1740 году императора Карла VI последовала борьба за австрийский престол между эрцгерцогиней Марией Терезией и Карлом Альбрехтом Баварским, который был женат на её старшей кузине. Вильгельмина Амалия сначала поддерживала своего зятя, но потом вернулась в основанный ею монастырь, в котором жила с 1722 года.
Императрица Вильгельмина Амалия скончалась 10 апреля 1742 года, пережив супруга на тридцать два года. Она похоронена в монастыре салезианцев в Вене. Сердце Вильгельмины Амалии захоронено в Императорском склепе.