Nació en 1825 en La Rochelle, una ciudad tradicionalmente protestante en la costa suroeste de Francia. Su padre era un comerciante de vino y aceite de oliva modestamente exitoso y católico romano, mientras que su madre era de una familia calvinista de clase media. Comprometiéndose con la educación religiosa de sus hijos, decidieron criar a sus hijos como católicos ya sus hijas como protestantes. La educación de Bouguereau fue estricta, pero desarrolló un profundo amor por su hogar junto al mar y sus costumbres locales que perduraron durante toda su vida. A los doce años, lo enviaron a vivir con su tío, un sacerdote católico, posiblemente para preparar al niño para una carrera en la Iglesia. Durante este período, que Bouguereau recordó más tarde como "la época más feliz de mi vida", estuvo expuesto a la literatura clásica, y excursiones al aire libre.
Unos años después de mudarse a vivir con su tío, Bouguereau fue enviado al colegio católico de Pons, donde continuó su educación religiosa y laica. En Pons, Bouguereau fue instruido en dibujo por Louis Sage, seguidor del gran pintor neoclásico Jean-Auguste-Dominique Ingres., pero sus estudios fueron interrumpidos por su padre, quien exigió que se reuniera con la familia en su nuevo hogar en Burdeos, en el sureste de Francia. Aquí el joven William-Adolphe conoció a Charles Marionneau, un artista e historiador local que lo ayudó a ingresar en la Escuela Municipal de Pintura y Dibujo. Aunque estaba bajo presión para contribuir al negocio de su padre, Bouguereau reanudó así su formación artística, financiando su educación creando litografías coloreadas a mano para productos alimenticios. Se destacó en este trabajo mercenario, y finalmente ahorró lo suficiente para mudarse a París, lo que hizo en 1846, a la edad de 20 años.
Siguiendo una recomendación de la Escuela Municipal de Burdeos, Bouguereau fue invitado a estudiar con el consumado pintor neoclásico François-Édouard Picot. Al igual que los demás alumnos del estudio de Picot, Bouguereau trabajó los elementos básicos de la pintura y el dibujo figurativos, utilizando litografías, vaciados en yeso y modelos en vivo. Apenas subsistiendo con sus escasos ahorros, consiguió la admisión en la prestigiosa École Royale des Beaux-Arts, cuyo plan de estudios se centraba en la pintura, la anatomía, la perspectiva, la historia, la antigüedad y la escultura. La gran ambición de Bouguereau era ganar el Gran Premio de Roma, un premio para artistas jóvenes destacados que incluía estudios patrocinados en la Academia Francesa en la Villa Medici de Roma. Tras dos intentos fallidos, consiguió su objetivo con el gran cuadro histórico "Zenobia encontrada por los pastores a orillas del Arax" (1850), sobre un tema ya abordado por Nicolás Poussin . Bouguereau partió hacia Roma en enero de 1851 y pasó los siguientes tres años perfeccionando sus habilidades técnicas y estudiando colecciones de arte, iglesias, arquitectura y escultura en toda la península italiana. Su beca terminó en 1854, pero en lugar de regresar a París, viajó de regreso a su ciudad natal de La Rochelle.
Tras sus experiencias formativas en Italia, la carrera de Bouguereau estuvo definida por la incesante acumulación de elogios y encargos, y por la exposición anual de su obra en el Salón de París. Se aferró obstinadamente al estilo neoclásico en el que se había formado, y la exhibición de su trabajo en los Salones generó un enorme interés entre los mecenas de clase media y alta, y creó oportunidades para decorar edificios estatales e iglesias. En 1856, su prestigio se vio realzado aún más por un encargo del emperador Napoleón III, para quien completó la obra descaradamente propagandística Napoleón III visitando las inundaciones de Tarascón., que muestra las visitas humanitarias del emperador a las zonas de los valles del Ródano y del Loira recientemente devastadas por las inundaciones. La demanda de la obra de Bouguereau fue constante durante este período, en parte debido a sus contratos con dos poderosos marchantes de arte, Paul Durand-Ruel y Adolphe Goupil. Indicando su enfoque pragmático y comercial de su trabajo, Bouguereau comenzó alrededor de la década de 1860 a ir más allá de los grandes temas históricos y clásicos, creando escenas de género cuasi-naturalistas en línea con los gustos artísticos cambiantes. Sin embargo, en términos prácticos, siguió siendo un firme defensor de la tradición, y fue fundamental, junto con su colega neoclásico Alexandre Cabanel.
En 1856, Bouguereau inició una relación con su modelo Nelly Monchablon, de 19 años, con quien tendría tres hijos antes de casarse en 1866, y otros dos después. Mantuvo una lujosa casa y estudio familiar en el barrio de Montparnasse de París, y en verano viajaba con su familia a La Rochelle, donde a menudo aceptaba encargos decorativos locales. Bouguereau mantuvo un perfil en gran parte apolítico a lo largo de su vida, pero dos veces se involucró con la política fuera del arte, en ambos casos alineándose con las fuerzas del establishment francés. Se alistó en la Guardia Nacional durante la revolución de 1848, y de nuevo en 1870, al final de la guerra franco-prusiana, antes de la breve toma del poder por parte de la revolucionaria Comuna de París (con la que algunos de los compañeros de Bouguereau, como Gustave Courbet , se asociaron).
Si bien la vida profesional de Bouguereau fue de éxito ininterrumpido (se le concedió la membresía vitalicia de la Academia en 1876 y se le nombró Comandante de la Legión de Honor en 1885, la distinción más alta posible para un artista vivo), su vida personal estuvo marcada por la tragedia. Tres de sus hijos murieron en la infancia y su madre Nelly murió en 1877, hechos que inspiraron una serie de pinturas religiosas sombrías. Poco después de la muerte de Nelly, sin embargo, Bouguereau inició una relación con otra modelo, la estadounidense Elizabeth Jane Gardner -también notable artista- con quien se casaría en 1896, tras dos décadas de noviazgo (la pareja esperaba la muerte de William- la madre de Adolphe, que desaprobaba que se volviera a casar). Durante este período, la influencia de Bouguereau se extendió mucho más allá de Francia, y se volvió activo en la creación de artistas, sociedades en Bélgica, Austria y España. Incluso en su avanzada edad, trabajó prolíficamente, sin abandonar nunca sus métodos tradicionales de pintura.
Durante las últimas décadas de su vida, Bouguereau también se convirtió en un maestro entusiasta e influyente, asesorando a artistas masculinos y femeninos en el estilo académico. A partir de 1872 enseñó en la prestigiosa Académie Julian, y se hizo conocido por abogar por la formación de mujeres artistas dentro de esa institución. Muchos de sus alumnos lograron éxito comercial y crítico, mientras que fuera de la educación formal atrajo a innumerables admiradores e imitadores. Cuando Bouguereau murió en 1905, fue honrado con grandes procesiones fúnebres y memoriales, tanto en París como en La Rochelle. Está enterrado en el cementerio de Montparnasse en París, junto a Nelly y sus hijos.
