В 1929г. Уильям Стайн поступил в Гарвардский университет и через четыре года окончил его со степенью бакалавра химии. Начал работать в Рокфеллеровском институте медицинских исследований в Нью-Йорке под руководством Макса Бергмана. В 1938г. получил докторскую степень. Во время Второй мировой войны работал над проектами, связанными с военными целями.
   В 1945г. Стайн продолжил исследования в области количественного анализа аминокислот. В 1958г. он вместе со Станфордом Муром создал первый автоматический анализатор аминокислот. За "вклад в прояснение связи химической структуры и каталитического действия активного центра молекулы рибонуклеазы" Стайну присуждена Нобелевская премия по химии 1972 года.
   Интерес Стайна к распространению научной информации способствовал тому, что учёный посвящал значительную часть своего времени "Журналу биологической химии" (Journal of Biological Chemistry), где в 1958-68гг. работал редактором, а в 1968-71гг. - главным редактором. В 1968-69 годах Стайн возглавлял Госкомитет по биохимии США. Ученый был также попечителем больницы Монтефиоре и входил в консультативный совет Медицинской школы Еврейского университета.
    В 1969г. учёный тяжело заболел. Несмотря на то, что у него развился паралич и он был прикован к креслу-каталке, Стайн сохранил живой интерес к научным исследованиям до последних дней жизни.