Wilhelm đã kết hôn với Công nương Maria Maximilianovna xứ Leuchtenberg, Công nương Romanovskaja, người con gái còn sống lớn nhất của Maximilian de Beauharnais, Công tước thứ ba của Leuchtenberg và vợ của ông này là Đại Công nương Maria Nikolaevna của Nga, vào ngày 11 tháng 2 năm 1863 tại Sankt-Peterburg, kinh đô của Đế quốc Nga.[1][2][3][6] Sau khi hay tin về cuộc hôn nhân, Tổng thống Hoa Kỳ Abraham Lincoln đã gửi một bức điện đến người anh trai của Wilhelm là Friedrich I, Đại Công tước xứ Baden, trong đó Lincoln tuyên bố: "Tôi bị lôi cuốn vào niềm mãn nguyện do sự kiện hạnh phúc này tạo ra và cầu xin Điện hạ chấp thuận những lời chúc chân thành nhất của tôi về dịp này cùng với những cam đoan về sự quan tâm cao quý nhất của tôi."[17] Trước cuộc hôn nhân, Wilhelm đã đến Anh như một người cầu hôn tiềm tàng của Công chúa Mary Adelaide của Cambridge.[18][19]

Wilhelm và Maria có hai người con:[1][2]

• Công nương Marie xứ Baden (26 tháng 7 năm 1865 – 29 tháng 11 năm 1939)[1][2], sau này là Quận chúa Anhalt – vợ của Friedrich II, Quận công xứ Anhalt (không có con)
• Vương công Maximilian xứ Baden (10 tháng 7 năm 1867 – 6 tháng 11 năm 1929)[1][2], Thủ tướng Đức trong một thời gian ngắn vào năm 1918.