Василий Робертович Вильямс родился в 1863 году в Москве. Его отцом был инженер, который эмигрировал в Россию из США в середине девятнадцатого века, сохранив за собой американское гражданство. В 1883 году Василий Робертович окончил реальное училище, а затем в 1888 году Петровскую сельскохозяйственную академию. Обучаясь на третьем курсе училища, В.Р. Вильямс получил от профессора Анатолия Фадеева предложение создать опытную лабораторию. После окончания сельскохозяйственной академии В.Р. Вильямс остался в академии для получения профессорского звания. Причем на стажировку его отправили в западную Европу. После возвращения из-за рубежа В.Р. Вильямс опубликовал критическую оценку состояния почвоведения в западноевропейских странах. Дело в том, что за границей почву рассматривали лишь только в качестве среды обитания. Почвоведения как самостоятельной науки в те годы просто не существовало.
В мае 1889 года В.Р. Вильямс получил российское гражданство и в декабре того же года был прикреплён к Министерству государственных имуществ. С 1891 года ученый преподаёт студентам курс общего земледелия в Петровской академии. В январе 1894 года В.Р. Вильямс защитил диссертацию на тему «Опыт исследования в области механического анализа почв». В том же году, для повышения своей квалификации в области почвоведения, исследователь посетил Северную Америку для изучения ведения сельскохозяйственных работ на крупных фермах. В августе 1894 года в России был открыт Московский сельскохозяйственный институт, в котором В.Р. Вильямс был назначен на должность адъюнкт профессора на кафедре почвоведения и общего земледелия. С июня 1897 года он стал профессором. С мая 1907 года по ноябрь 1908 года ученый занимал пост директора Сельскохозяйственного института, а с 1922 по 1925 год был назначен ректором ТСХА. В 1904 году В.Р. Вильямс произвел посадку растений, где собрал множество произрастающих в России злаковых и бобовых растений. В 1911 году ученый открыл курсы по созданию и уходу за лугами и начал преподавать студентам новую научную дисциплину – луговодство. Вскоре рядом с Москвой на территории современной Лобни В.Р. Вильямс открыл опытную станцию по изучению кормовых растений, введя в научный обиход такое понятие, как кормовая площадь. В 1922 году станция превратилась в Государственный луговой институт, на базе которого спустя семьдесят лет был основан Всероссийский научно-исследовательский институт кормов имени В.Р. Вильямса.
В 1923 году Вильямсу было присвоено звание Героя Труда за высокие достижения в науке. В 1931 году В.Р. Вильямса избирают в Академию наук СССР, где он становится академиком в области почвоведения. В 1935 году ученый становится действительным членом ВАСХНИЛ. Главные научные труды В.Р. Вильямса посвящены развитию учения о почве. Ученый является автором более 450 научных работ, в которых на основе фундаментальных исследований доказал ведущую роль биологических факторов в почвообразовании, а также создал теорию о малом биологическом круговороте вещества. В.Р. Вильямс первым предположил идею о единстве развития неорганической и органической природы почвы. Теоретически обосновал травопольную систему земледелия. В то же время теоретические работы В.Р. Вильямса содержали в себе ряд ошибок, таких, как отрицательное отношение к культуре озимых хлебов, которые из-за сложного климата в России составляют до девяноста процентов посевных площадей.
Вильямс являлся основателем и первым заведующим кафедрой «Основы земледелия и растениеводства» Московского института механизации и электрификации сельского хозяйства. Похоронен В. Р. Вильямс в дендрологическом саду парка при Тимирязевской сельскохозяйственной академии.
7 сентября 1947 года на территории ТСХА состоялось торжественное открытие памятника большому учёному-почвоведу, основоположнику агробиологии академику академии наук СССР В. Р. Вильямсу. Памятник создали: скульптор С.О. Махтин, архитектор И.А. Француз.