Stenhammar urodził się w Sztokholmie i był bratem architekta Ernsta Stenhammara. Pierwszą edukację muzyczną otrzymał w Sztokholmie. Następnie udał się do Berlina, aby kontynuować studia muzyczne. Stał się gorącym wielbicielem muzyki niemieckiej, zwłaszcza Richarda Wagnera i Antona Brucknera. Sam Stenhammar określił styl swojej I Symfonii F-dur jako "idylliczny Bruckner". Później starał się wyemancypować i pisać w bardziej "nordyckim" stylu, szukając wskazówek u Carla Nielsena i Jeana Sibeliusa. Szczególnie II Symfonia tego ostatniego wywarła na niego wielki wpływ, co doprowadziło go do zmiany stylu i wycofania własnej I Symfonii z wykonania. Po obejrzeniu symfonii Sibeliusa wykonanej w Sztokholmie, Stenhammar napisał do niego:
Wynikiem jego poszukiwań nowego stylu była II Symfonia g-moll, skomponowana prawie dwanaście lat po I Symfonii, która ukazuje wpływ między innymi Nielsena, Sibeliusa i Franza Berwalda.
Jesienią 1892 roku Stenhammar przeniósł się na siedem miesięcy do Berlina, aby studiować u Heinricha Bartha, gdzie poświęcił swój czas rygorystycznej praktyce fortepianowej i kompozycji. Barth był zadowolony z występów Stenhammara i dawał mu coraz trudniejsze technicznie utwory do ćwiczenia, takie jak Wariacje na temat Paganiniego Johannesa Brahmsa, kompozytora, którego podziwiał.
W latach 1906-1922 Stenhammar był dyrektorem artystycznym i głównym dyrygentem Gothenburg Symphony, pierwszej pełnoetatowej profesjonalnej orkiestry w Szwecji. Na tym stanowisku zorganizował wiele wykonań muzyki współczesnych skandynawskich kompozytorów. W 1909 roku na krótko objął stanowisko dyrektora muzycznego na Uniwersytecie w Uppsali, gdzie w następnym roku zastąpił go Hugo Alfvén. Po przeprowadzce do Sztokholmu na początku lat dwudziestych, powrócił do koncertowania pomimo pogarszającego się stanu zdrowia.
Wilhelm Stenhammar zmarł na udar mózgu w wieku 56 lat w Jonsered w historycznej prowincji Västergötland. Został pochowany w Göteborgu.
