Willem Frederik studeerde in Leiden en Groningen en nam daarna dienst in het leger van Frederik Hendrik van Oranje. In 1640 nam hij deel aan de strijd om Hulst, waarbij zijn oudere broer Hendrik Casimir I van Nassau-Dietz sneuvelde. Vervolgens ontstond een conflict met Frederik Hendrik van Oranje over de vraag wie Hendrik Casimir zou opvolgen als stadhouder van Friesland, Groningen en Drenthe.
Als opperbevelhebber van het leger weigerde Frederik Hendrik dan ook om Willem Frederik tot veldmaarschalk te benoemen. Willem Frederik deed er alles aan om Frederik Hendriks vertrouwen te winnen. Uiteindelijk werd hij stadhouder van Friesland en Frederik Hendrik van Groningen en Drenthe. Tegen die tijd was de Tachtigjarige Oorlog bijna ten einde.
In 1650 leidde hij de mislukte aanslag op Amsterdam in opdracht van Willem II. Toen die even later plots overleed, werd Willem Frederik alsnog stadhouder van Groningen en Drenthe. Zijn benoeming tot veldmaarschalk van de Republiek werd enkele malen door Johan de Witt en Cornelis de Graeff tegengehouden. In 1662 werd hij door de Staten van Friesland aan het hoofd van een klein expeditieleger gesteld dat de orde in de stad Groningen moest herstellen. In die stad waren problemen ontstaan rond Johan Schulenborgh.
Tijdens een jachtpartij wilde Willem Frederik een schot lossen met zijn zadelpistool, dat weigerde af te gaan. Bij het schoonmaken van het pistool kreeg hij een schot door zijn kin en kaak. Hij overleed op 31 oktober 1664 ten gevolge van dit ongeval. Zijn stoffelijk overschot werd bijgezet in de grafkelder van de Friesche Nassaus in Leeuwarden. Het pistool waarmee hij zich doodde, bevindt zich in het Rijksmuseum Amsterdam.[2]
Willem Frederik is ook bekend geworden vanwege zijn dagboeken die later teruggevonden zijn. Hierin schreef hij openhartig over emotionele onderwerpen als ziekte, lust, drankzucht, berouw en schuld. Tijdens ziektes en onpasselijkheden hield hij zorgvuldig zijn stoelgang en braakpartijen bij.[3]