Ông sinh tại thành phố New York, con của Freed M. và Beatrice Borg Stein. Ông theo học ở Đại học Harvard, rồi Đại học Columbia và đậu bằng tiến sĩ. Ông giảng dạy và nghiên cứu ở Đại học Rockefeller. Năm 1958, ông và Stanford Moore phát triển máy phân tích amino acid tự động đầu tiên, tạo dễ dàng cho việc xác định các chuỗi peptide.
Năm 1972, ông đoạt Giải Nobel Hóa học chung với Christian Boehmer Anfinsen và Stanford Moore, cho công trình nghiên cứu của họ về ribonuclease và cho đóng góp của họ vào sự hiểu rõ mối liên hệ giữa cấu trúchóa học và sự xúc tác của phân tử ribonuclease.
Stanford Moore (1980). “William H. Stein”(PDF). J. Biol. Chem. 255: 9517–9518. Bản gốc(PDF) lưu trữ ngày 18 tháng 12 năm 2008. Truy cập ngày 10 tháng 3 năm 2010.