Wilhelm entstammt dem Adelsgeschlecht von Tettau, das am 28. August 1865 die preußische Genehmigung zur Fortführung des Freiherrntitel erhalten hatte. Seine Eltern waren der Oberlandesgerichtspräsidenten und Generallandschaftsdirektors Ernst von Tettau (1776–1831) und dessen Ehefrau Auguste, geborene Freiin von Schleinitz (1784–1848). Sein Bruder Alfred (1810–1893) war Mitglied des Deutschen Reichstags.
Am 7. Juni 1835 heiratete er Wilhelmine Freiin von Rosenberg (1817–1882). Die Ehe wurde nach zwanzig Jahren am 8. März 1855 kinderlos geschieden. Am 21. Mai 1859 heiratete er Adolfine Herrmann (* 1838). Das Paar hatte mehrere Kinder:
Helene (1860–1860)
Wilhelm (1862–1866)
Helene Adolfine Wilhelmine (1863–1951)
Adolfine Magdalene Josephine (1866–1959), ⚭ 1889 Dr. jur. George Cuny, Oberregierungsrat
Otto (1868–1946), deutscher Generalleutnant, ⚭ Elisabeth Gräfin von Stosch
Wilhelm (1872–1929), Architekt, ⚭ 1907 Ada Gräfin Niëvo
Die Tettaustraße in Erfurt wurde nach ihm benannt.
Schriften
Die Volkssagen Ostpreussens, Litthauens und Westpreussens. (mit Jodocus Donatus Hubertus Temme). Nicolai, Berlin 1837 (Digitalisat der Bayerischen Staatsbibliothek).
Topographisch-statistische Übersicht des Regierungsbezirks Liegnitz. L. Gerschel, Liegnitz 1846.
Ueber das staatsrechtliche Verhältniss von Erfurt zum Erzstift Mainz. Ein Vortrag gehalten in der öffentlichen Sitzung der Akademie Gemeinnütziger Wissenschaften zu Erfurt den 15. Oktober 1859. Carl Villaret, Erfurt 1860.
Die Reduction von Erfurt und die ihr vorausgegangenen Wirren (1647–1665): Nach meist handschriftlichen und amtlichen Quellen dargestellt. Carl Villaret, Erfurt 1863.
Über die Quellen, die ursprüngliche Gestalt und die allmählige Umbildung der Erzählung von der Doppelehe eines Grafen von Gleichen. Ein kritischer Versuch. Carl Villaret, Erfurt 1867.
Beiträge zu den Regesten der Grafen von Gleichen. 2 Bände. Carl Villaret, Erfurt 1868.
Erlebnisse eines deutschen Landsknechts (1484–1493), von ihm selbst beschrieben. Ein Beitrag zur Geschichte des schwarzen Heeres. Carl Villaret, Erfurt 1869.
Über einige bis jetzt unbekannte Erfurter Drucke aus dem 15. Jahrhundert. Ein Beitrag zur Bibliographie der älteren deutschen Literatur und zur vergleichenden Sagenkunde. Carl Villaret, Erfurt 1870.
Ueber die epischen Dichtungen der finnischen Völker, besonders die Kalewala. Carl Villaret, Erfurt 1873.
Urkundliche Geschichte der Tettauschen Familie in den Zweigen Tettau und Kinsky. Stargardt, Berlin 1878 (Digitalisat).
Nachträge und Berichtigungen zur urkundlichen Geschichte der Tettauschen Familie. Stargardt, Berlin 1889.
Beiträge zur Kunstgeschichte von Erfurt. Carl Villaret, Erfurt 1889.
Beschreibende Darstellung der älteren Bau- und Kunstdenkmäler der Stadt Erfurt und des Erfurter Landkreises. Hendel-Verlag, Halle (Saale) 1890.
