Закончил в 1870 году Торонтскую медицинскую школу, затем поступил в Монреальский университет «McGill», где в 1872 году получил степень доктора медицины.
Прошёл стажировку в клиниках и лабораториях в Лондоне, Берлине, Лейпциге и Вене, обучаясь у Джона Бардона-Сандерсона (англ. ), Рудольфа Вирхова, Людвига Траубе, Фридриха Фрерикса, Бернгардта фон Лангенбека, Ф. Гебры, Карла фон Рокитанского и других.
Вернувшись в Канаду, Ослер становится профессором кафедры внутренних болезней университета «McGill» (1875).
Ослеру принадлежит множество открытий и важных наблюдений. В 1873 году он открыл тромбоциты, в 1876 году — новый вид трематод – возбудителя филяриатоза, впоследствии названных «филярия Ослера», в 1885 — описал клиническую картину подострого септического эндокардита и указал, в частности, что появление болезненных красных узелков на коже пальцев. ныне называемое «симптомом Ослера» является признаком микроэмболий, в 1892 году описал приступы бронхиальной астмы, вызванные аспирацией кислого содержимого желудка в дыхательные пути. В том же году изучил состояние, называемое сегодня синдромом раздражённого кишечника и описал его, как «слизистый колит».
За заслуги в науке Уильям Ослер в 1911 году был удостоен звания баронета.
Широко известен афоризм Ослера:
Можно добавить еще один примечательный афоризм Уильяма Ослера:
Книга "Жизнь сэра Уильяма Ослера" (The Life of Sir William Osler. 2 volumes. Oxford, Clarendon Press, 1925) написанная американским нейрохирургом Гарвеем Кушингом была удостоена Пулитцеровской премии в 1926 г. и является одной из лучших медицинских биографий двадцатого века.