เมื่อวันที่ 15 กุมภาพันธ์ ค.ศ. 1877 ที่เมืองฮาโรลเซิน พระองค์ทรงอภิเษกสมรสกับเจ้าหญิงมารึแห่งวัลเด็คและเพือร์ม็อนท์ (ค.ศ. 1857–1882) มีพระราชบุตรที่รอดชีวิตในวันประสูติ 2 พระองค์ คือ:

1. เจ้าหญิงเพาลีเนอแห่งเวือร์ทเทิมแบร์ค
2. เจ้าชายอุลริชแห่งเวือร์ทเทิมแบร์ค

เจ้าหญิงมารีสิ้นพระชนม์ในวันที่ 30 เมษายน ค.ศ. 1882 ในเมืองชตุทการ์ท จากพระโรคแทรกซ้อนที่เกิดจากการคลอดพระราชบุตรพระองค์ที่ 3 วิลเฮ็ล์มทรงโทมนัสกับการสิ้นพระชนม์ของพระราชบุตรทั้ง 2 พระองค์ ได้รับการกล่าวขานว่าไม่มีวันฟื้นจากการโจมตีครั้งนี้

อย่างไรก็ตามพระองค์ทรงเป็นกษัตริย์และเป็นหน้าที่ของพระองค์ที่จะต้องสืบสานพระราชปณิธาน วันที่ 8 เมษายน ค.ศ. 1886 ที่บึคเคอบวร์ค พระองค์ทรงอภิเษกสมรสกับเจ้าหญิงชาร์ล็อทเทอแห่งเชาม์บวร์ค-ลิพเพอ (1864–1946) ไม่มีพระราชบุตร