Вильгельм Брамбах был сыном умершего в 1890 году настройщика и органного мастера Франца Якоба Брамбаха (Franz Jacob Brambach) и братом хормейстера и композитора Каспара Йозефа Брамбаха (Caspar Joseph Brambach). После получения аттестата зрелости изучал в Боннском университете филологию у Фридриха Ричля, а также музыковедение у Генриха Брайденштайна (Heinrich Breidenstein).
В 1864 году получил докторскую степень с диссертацией по римской истории консульского периода.
В 1862—1866 гг. работал ассистентом в библиотеке (Universitats- und Landesbibliothek Bonn) Боннского университета, затем занял должность главного библиотекаря Университетской библиотеки Фрайбурга (Universitatsbibliothek Freiburg).
В cамом университете Фрайбурга преподавал классическую филологию как экстраординарный, а с 1868 года как ординарный профессор.
В 1872 году сменил Иоганна Кристофа Дёлля во главе Баденской придворной и земельной библиотеки (ныне Баденская научная университетская земельная библиотека (Badische Landesbibliothek).
В 1904 году вышел на пенсию, но до 1921 года оставался руководителем кабинета нумизматики земельной библиотеки. Учёный скончался 26 февраля 1932 года в 90-летнем возрасте в Карлсруэ.