蔡威廉1904年6月3日（农历4月20日）生于上海，其母黄仲玉是蔡元培先生的第二位夫人。1913年9月5日蔡元培携夫人及长女威廉、次子无忌、三子柏龄从上海赴法国，到巴黎后，9岁的威廉被送入当地的教会学校读书。1916年冬随父母亲回国，入北京孔德学校念书，成为该校首届毕业生。1923年，威廉又随父母前往比利时，进入布鲁塞尔美术学院学习绘画。自1914年至1927年，蔡威廉先后多次随父亲蔡元培出国。十几年的游欧生活，使她接受了良好的欧式教育，通晓了法、德等国语言，遍览了西方艺术精华，为她以后的艺术创作和教学打下了扎实的基础。不久，她接受父亲的建议，再次前往法国，就读于里昂美术专科学校，专习油画。1928年回国，被聘为国立杭州艺专西画教授。次年，与同在该校任教的青年画家林文铮结婚。
蔡元培与夫人及蔡威廉（左二）姐弟
1937年“七七事变”后，国立艺专为避战乱向内地迁移。首到浙江诸暨，继至江西贵溪，又迁湖南沅陵、长沙、贵州贵阳，直到云南昆明才勉强安顿下来。而蔡威廉夫妇一直随校奔波。1938年，杭州艺专与国立北平艺专合并后，因校方内部发生矛盾，蔡威廉夫妇离开国立艺专，次年5月5日，因生儿育女夺去了年轻的生命，死的直接原因是产后褥，间接原因却是无书教，无收入，怕费用多担负不起，不能住医院生产，终于死去。人死了，剩下一堆画，6个孩子。
沈从文先生在1939年6月写下的《忆蔡威廉女士》一文中对此痛心疾首：“真正在那里为艺术而致力，用勤苦与自己斗争，改正弱点，发现新天地，如蔡威廉女士那么为人，实在不多，末了却被穷病打倒，终于死去，想起来未免令人痛苦寒心。”
蔡威廉去世时，蔡元培先生正在病中，亲朋好友都不忍把这一不幸消息告诉他，女婿林文铮每次给蔡元培写信，总是以威廉名义附笔问候相掩饰。但两个月后，蔡先生终于从报纸上看到了昆明举办蔡威廉遗作展览的新闻。悲痛欲绝的老父亲遂于7月13日作《哀长女威廉》一文，倾诉失去爱女的剜肉之痛，蔡元培先生离世时是呼喊着威廉的名字离世的。
蔡威廉的人物画，画风既有西方流行元素，有一点后印象派的意思，又受文艺复兴时期的绘画大师达·芬奇影响，因此也不缺乏古典韵味。她画过人物众多的大型油画《秋瑾绍兴就义图》，是大场面，大主题，十分震撼人心。
