Родился в Бристоле. В молодости Уильям Пенн служил на флоте.

В 1647 году во время гражданской войны воевал на стороне парламента в должности контр-адмирала ирландских морей. В 1648 году его арестовали по подозрению в переписке с Карлом I, но вскоре Уильям Пенн был освобожден. Он участвовал в Первой англо-голландской войне (1652 – 1654 годов) будучи вице-адмиралам, а затем генералом флота. В 1654 году командовал экспедицией, отправленной Оливером Кромвелем в Вест-Индию, которая в мае 1655 года захватила Ямайку, но не смогла захватить Эспаньолу (нынешняя Куба). По возвращении он был ненадолго заключен в тюрьму по неизвестным причинам.

Удалившись в свое имение в Мюнстере в Ирландии, Уильям Пенн тайно общался с роялистами. После реставрации в 1660 году он был посвящен в рыцари и назначен комиссаром военно-морского флота. Во время Второй голландской войны (1665 –1667 годы) он служил капитаном флота под командованием принца Йоркского (впоследствии короля Якова II). Пенн был автором кодекса военно-морской тактики, который лег в основу боевого устава военно-морского флота. В конце жизни стал генеральным финансовым контролером флота. В это время Уильям Пенн был кредитором короля Карла II. Король не выплатил свой долг до смерти Пенна-старшего, но расплатился с его сыном, отдав ему огромную территорию в Северной Америке, на которой тот организовал колонию для квакеров. Эту колонию назвали Пенсильванией («Лесной страной Пенна») в память Уильяма Пенна-старшего.