Воан Уильямс родился 12 октября 1872 года в семье священника, приходился внучатым племянником Чарльзу Дарвину.После смерти отца в 1875 году был взят на воспитание матерью.Учился в Королевском музыкальном колледже Лондона в классах композиции Чарльза Вильерса Стэнфорда и Хьюберта Пэрри, органа Уильяма Перретта. Среди его друзей-однокурсников были Леопольд Стоковский и Густав Холст. Именно знакомство с Холстом оказало значительное влияние на развитие творческих взглядов Уильямса.После окончания Королевского музыкального колледжа в 1897 году переехал в Берлин, где работал органистом и совершенствовался как композитор у Макса Бруха.Лишь в начале 1900-х годов Уильямс приходит к формированию собственного композиторского стиля.
В 1904 году отправляется в отдаленную местность — графство Норфольк для исследования музыкальной фольклористики.
В 1908 году берёт уроки оркестровки у Мориса Равеля во Франции.Только в 1910 году появляется его первое крупное сочинение, получившее известность фантазия для струнного оркестра на темы Томаса Таллиса.
В 1914 году представляет Лондонскую Симфонию.
С 1921 года профессор композиции Королевского музыкального колледжа. Среди его известных учеников - Элизабет Мэконки.Во время Первой мировой войны служил в медицинских войсках.После войны получил место профессора композиции в Королевском музыкальном колледже.Активно выступал как дирижёр, дирижирует хорами Баховского и Генделевского обществ. Неоднократно руководил представлениями «Страстей по Матфею» Иоганна Себастьяна Баха.Умер в 1958 году, похоронен в Вестминстерском аббатстве близ могилы Генри Пёрселла.Изображен на британской почтовой марке 1972 года.