상파울루에서 태어난 윌리앙은 코린치앙스 유소년 팀을 거쳐 2006년 프로 무대에 데뷔했다. 이후 2007년 샤흐타르 도네츠크로 이적하여 여러 리그 우승과 UEFA 유로파리그 우승을 경험하며 유럽 무대에서 이름을 알렸다. 2013년에는 러시아의 안지 마하치칼라를 거쳐 잉글랜드 프리미어리그의 첼시로 이적했다. 첼시에서 그는 팀의 핵심 선수로 자리매김하며 두 차례의 프리미어리그 우승, FA컵 우승, UEFA 유로파리그 우승 등을 이끌었다.
2020년에는 런던 라이벌인 아스널로 이적했으나, 기대만큼의 활약을 보여주지 못하고 브라질의 코린치앙스로 복귀했다. 이후 유럽으로 다시 건너가 풀럼과 노팅엄 포레스트 등에서 뛰었다.
국가대표팀 경력으로는 브라질 U-20 대표팀을 거쳐 2011년 브라질 성인 국가대표팀에 데뷔했다. 그는 2014년 FIFA 월드컵과 2018년 FIFA 월드컵에 브라질 대표팀의 일원으로 참가했으며, 코파 아메리카에도 출전한 바 있다. 그의 플레이 스타일은 뛰어난 드리블 능력, 빠른 스피드, 정교한 크로스, 그리고 강력한 중거리 슛으로 평가받는다.