Ông sinh ở California nhưng lớn lên ở Texas. Ông đậu bằng cử nhân khoa học về Vật lý hạng tối danh dự, bằng cử nhân khoa học Khoa Công trình điện hạng tối danh dự và bằng cử nhân toán học hạng summa cum laude (hạng ưu) ở Đại học Washington năm 1975. Sau đó ông vào học tiếp ở Đại học Cornell, đậu bằng thạc sĩ năm 1978 và bằng tiến sĩ năm 1982. William E. Moerner là giáo sư chức Harry S. Mosher ở Phân khoa Hóa học Đại học Stanford. Lãnh vực nghiên cứu chính của Moerner gồm: phổ học phân tử đơn, các kỹ thuật phân tử đơn, hóa lý, lý hóa, lý sinh, quang học nano (nanophotonics), và nanoparticle trapping.