Der zweite Sohn des Marinemalers Hermanus Koekkoek d.Ä. wird wie seine drei Brüder vom Vater ausgebildet. Er spezialisiert sich auf die Architektur- und Städtemalerei. Meist handelt es sich um aus verschiedenen Versatzstücken komponierte pittoreske, die Vergangenheit heraufbeschwörende Fantasiestädte. Willem setzt allerdings eine dem Alltag seiner Zeit gemäße Figurenstaffage ein. Viele seiner Motive wiederholt er, stellt die Szenerie im Sommer wie im Winter dar. Seine Bilder lassen sich in den Niederlanden, vor allem aber in England gut verkaufen.
Willem Koekkoek pflegt einen traditionellen Malstil, der sich den neueren Entwicklungen des Impressionismus verschließt. Sein Vorbild ist das Werk seines Zeitgenossen Cornelis Springer (Amsterdam 1817.1891 Hilversum), den er in einige Werken auch direkt kopiert. Seine Begeisterung für die historische niederländische Stadt mag dem aufkommenden Interesse der Zeit an der Denkmalpflege geschuldet sein.
1865 heiratet er in Amsterdam seine Kusine Johanna Hermina, Tochter von Marinus Adrianus Koekkoek. Er hat zwei Söhne, Hermanus Willem und Marinus Adrianus d.J., die ebenfalls Maler werden. Zwei weitere Töchter Johanna Adriana (gen. Annie, 1870-1945) Georgette Marie (gen. Jet, Utrecht 1878-Amsterdam 1949) werden geboren.
Willem Koekkoek und seine Familie sind in Amsterdam (1873). Den Haag, (1874-1880), Utrecht (1880), Amsterdam (1881-1884) und Nieuwer Amstel (seit 1890). Um 1888 geht Willem gemeinsam mit seinem Sohn Hermanus Willem nach London zu seinem Bruder Hermanus Koekkoek d.J. Letzterer betreibt dort einen Kunsthandel, den er gemeinsam mit seinen Brüdern größer aufstellen möchte.
1859-1894 stellt Willem auf den großen jährlichen Ausstellungen in Amsterdam, Den Haag und Rotterdam aus. Er macht viele Reisen durch die historischen niederländischen Städte und fertigt umfangreiches Skizzenmaterial an. Seine zahlreichen Gemälde sind in einigen niederländischen sowie in Museen des United Kingdom vertreten. Der größere Teil seines Werks befindet sich in Privatbesitz oder im Kunsthandel.
Das Rijksmuseum in Amsterdam besitzt drei Skizzenbücher seiner Hand (eines davon aus England). Vier Skizzenbücher befinden sich in der Sammlung des B.C. Koekkoek-Hauses.
Ein Besuch Willem Koekkoeks in Kleve bei seinem berühmten Onkel ist durch eine Zeichnung der Schwanenburg belegt.