William Boyce nacque a Londra e fu battezzato l'11 settembre 1711 e fu ammesso dal padre come corista nella Cattedrale di St Paul nel 1719. Quando la sua voce maturò, nel 1727, iniziò a studiare musica con Maurice Greene. Conobbe Handel, Gluck, Johann Christian Bach, Abel e un giovanissimo Mozart, tutti estimatori del suo lavoro.
Il suo primo incarico professionale avvenne nel 1734 quando fu impiegato come organista presso la Oxford Chapel nel centro di Londra. Continuò ad assumere una serie di incarichi simili prima di essere nominato Master of the King's Musick nel 1757 (aveva fatto domanda per il posto alla morte di Maurice Greene nel 1755) e diventare uno degli organisti della Chapel Royal nel 1758.
Nel 1736 fu nominato compositore della Chapel Royal e scrisse l'oratorio David's Lamentation over Saul and Jonathan.
Il 1740 vide la sua opera Peleus and Thetis, la serenata Solomon e la Secular Masque, su libretto di John Dryden. Nel 1749 scrisse un'ode e l'inno O be joyful per celebrare l'insediamento del duca di Newcastle a Cancelliere dell'Università di Cambridge e ottenne il titolo di Dottore in musica.
Nel 1747 aveva pubblicato la sua prima composizione puramente strumentale, una serie di "Dodici sonate per due violini e un basso" che divennero popolari. Charles Burney scrisse che erano "non solo in uso costante, come musica da camera, in concerti privati ... ma nei nostri teatri, come act-tunes [intermezzi] e nei giardini pubblici, come brani preferiti, per molti anni".
Nel 1750 Boyce fornì a David Garrick canzoni e altra musica per molte produzioni al Drury Lane Theatre. Questi includevano le sue opere The Chaplet e The Shepherd's Lottery e la pantomima Harlequin's Invasion che conteneva quella che divenne la canzone più famosa di Boyce, Heart of Oak.
Entro l'anno 1758, la sua sordità era aumentata a tal punto che non poté mantenere i suoi incarichi di organista. Decise di abbandonare l'insegnamento e di ritirarsi a Kensington, e di dedicarsi alla redazione della raccolta di musica sacra che porta il suo nome. Si ritirò e lavorò al completamento della compilation Cathedral Music che il suo insegnante Greene aveva lasciato incompleta alla sua morte. Ciò lo portò a pubblicare lavori di artisti del calibro di William Byrd e Henry Purcell. Molti dei pezzi della collezione sono ancora utilizzati nei service anglicani oggi.
Il 7 febbraio 1779 Boyce morì per un attacco di gotta. Fu sepolto sotto la cupola della cattedrale di St. Paul.