Bouguereau nació en 1825 en La Rochelle en la costa oeste de Francia, en la región de Poitou-Charentes. Hijo de Théodore Bouguereau, de origen inglés, y Marie Marguérite Bonnin, Adolphe-William fue el segundo de los cuatro hijos de una familia de orientación calvinista, sin embargo a la edad de cinco años fue bautizado en la fe católica. Su padre tenía una modesta vinatería suficiente para mantener un nivel pequeño-burgués.
En 1832 la familia se mudó a Saint-Martin, en la isla de Ré con la intención de abrir un nuevo negocio que no llegaría a prosperar. William, inicialmente inscrito en la escuela local, donde al parecer solía llenar de dibujos sus libros y cuadernos, fue enviado a vivir con su tío Eugène,b de 27 años, joven cura en la iglesia de Saint-Étienne en Mortagne sur Gironde, y que posiblemente estimuló su sensibilidad e inquietudes artísticas.
En 1839, Eugène decidió enviar a su sobrino a la escuela de Pons a estudiar arte clásico, religión e historia antigua, entre otras materias. Más tarde, con 16 años, Bouguereau tomó clases de dibujo con Louis Sage, discípulo de Ingres.
En 1841, la familia volvió a reunirse para trasladarse a Burdeos, donde el incipiente pintor tuvo que hacerse cargo de la contabilidad del nuevo negocio familiar, un comercio de aceite de oliva, y llevar la contabilidad de un taller vecino. A condición de que no descuidara sus obligaciones y no se convirtiera en 'artista', su padre finalmente lo dejó inscribirse en la escuela municipal de arte, donde fue admitido en las clases avanzadas de Jean-Paul Alaux, dos horas diarias. Sus grandes aptitudes le permitieron entrar en la prestigiosa École des Beaux-Arts de París, a pesar de la inicial oposición paterna y gracias al apoyo de su tío, cuya ayuda le permitió pasar tres meses en Mortagne pintando retratos de personalidades de Saintonge, y ahorrar 900 francos. Gracias a una carta de recomendación de Alaux, obtuvo empleo en el estudio de pintura de Picot en París, donde, según su propio testimonio, trabajó como un esclavo sin apenas tiempo para dormir. Finalmente, en el mes de abril de 1846, William fue aceptado en la École des Beaux-Arts. En 1850 ganó el Grand Prix de Rome y con ello una beca para estudiar en Roma.
Los ganadores del Grand Prix eran enviados a la Villa Médici. Durante tres años y cuatro meses viajó por Italia pintando copias de obras maestras. De vuelta en París, consiguió una segunda medalla en el Salón de 1854. Su popularidad y prestigio académicos crecieron rápidamente. En 1857 el emperador Napoleón III le encargó un retrato de sí mismo y de la emperatriz, así como la pintura histórica Napoléon III visitando las inundaciones de Tarascon.
El 8 de enero de 1876, Bouguereau fue elegido miembro de la Academia francesa de Bellas Artes. En 1881 el gobierno francés entregó el control administrativo del Salón a los artistas, como resultado de ello se fundó la Sociedad de Artistas Franceses y Bouguereau fue elegido el primer presidente del capítulo de pintura.
En 1903 fue nombrado "Gran Oficial" de la Legión de Honor y se le invitó a participar en la conmemoración del centenario de la Villa Médici. En esa época recibía invitaciones de toda Europa, que a petición del pintor su esposa Elizabeth rechazaba sistemáticamente para poder atenderle: a finales de 1903 su precaria salud ya le impedía escribir o pintar. Murió de un problema cardíaco, en su casa de La Rochelle, la noche del 19 de agosto de 1905.
Bouguerau estuvo casado en segundas nupcias con otra artista, Elizabeth Jane Gardner, cuya influencia permitió que las instituciones de arte francesas se abrieran por primera vez a las mujeres que pintaban realismo burgués. En compensación, las obras de Bouguereau fueron muy apreciadas y económicamente valoradas por la alta burguesía de los Estados Unidos, país de origen de su esposa.
