Feller est né à Zagreb, en Croatie, de Ida Oemichen-Perc, catholique austro-croate, et de Eugène Victor Feller, né d'un père juif polonais David Feller et d'une mère autrichienne catholique Elsa Holzer. William suit son éducation à l'école élémentaire puis secondaire à Zagreb, ainsi que ses deux premières années d'études mathématiques. Il continue ses études à Göttingen en Allemagne, où il obtient son doctorat en 1926 sous la direction de Richard Courant, sa thèse étant intitulée Über algebraisch rektifizierbare transzendente Kurven.
Il obtient un poste à l'université de Kiel au début 1928. Refusant de prêter allégeance aux nazis, il doit partir et s'installe en 1933 au Danemark, à Copenhague. Il enseigne ensuite en Suède (Stockholm et Lund). Enfin, il arrive en 1939 aux États-Unis dont il devient citoyen en 1944, et enseigne aux universités Brown et Cornell. En 1950 il devient professeur à Princeton.
Malgré le fait qu'il soit resté la majorité de sa vie hors de la Croatie où il est né et a commencé ses études, il est resté en contact suivi avec de nombreuses relations là-bas, et avec ses collègues de l'université de Zagreb, qu'il a souvent visité et où il a donné des cours. Il a reçu de nombreuses distinctions, et a été honoré par de nombreuses université (comme Boston, Zagreb, Londres, Copenhague).