Вилли Кюкенталь, старший брат богослова и ботаника Георга Кюкенталя, изучал естествознание в университетах Мюнхена и Йены. В 1884 году он получил степень доктора в университете Йены, став там в 1889 году профессором зоологии.
В 1898 году Кюкенталь получил признание как профессор зоологии и сравнительной анатомии, а также как руководитель Зоологического музея в Бреслау. После профессуры с 1911 по 1912 год в Кембриджском университете, Кюкенталь стал в 1913 году профессором зоологии в университете Берлина и директором Зоологического музея.
Чтобы собрать учебный материал, он предпринял обширные поездки. В 1886 и 1889 году он отправился в Арктику и Западный Шпицберген. В 1894 году он отправился на Малайский архипелаг и северные Молуккские острова. Так как у Кюкенталя был широкой зоологической интерес, он собрал большое количество материала, который сейчас в основном находится в Франкфуртском Зенкенбергском музее. В период с 1918 по 1919 Кюкенталь был президентом Немецкого зоологического общества.
Последние три года своей жизни Кюкенталь серьёзно болел и умер через восемь лет после первых симптомов рака.
Именем Кюкенталя названо более 20 видов животных. По правилам Международного кодекса зоологической номенклатуры они имеют латинизированную форму Kuekenthal.
Остров между Шпицбергеном и островом Баренца носит его имя.