Nació en Adelaida, Australia del Sur, en cuya Universidad cursó estudios de 1905 a 1908, que amplió en Cambridge entre 1909 y 1912. Discípulo y colaborador de su padre, ambos concibieron métodos para determinar la distribución de los átomos en las sustancias cristalinas, y pudieron explorar las diferencias entre las propiedades de uno de los cuerpos de mayor dureza, el diamante , y otra forma del carbono, el grafito blando. Seguidamente realizaron trascendentes estudios relacionados con los enlaces moleculares y el influjo del calor sobre la intensidad reflectante de los cristales.
Durante la Primera Guerra Mundial William Lawrence se desempeñó como técnico asesor en la sección de mapas del cuerpo expedicionario británico en Francia.
Inició labores docentes 1919, como profesor de física en la Universidad Victoria de Manchester , donde permaneció hasta 1937. Entre 1938 y 1953 sirvió la cátedra de física experimental en el laboratorio Cavendish de Cambridge. De 1953 a 1966 dirigió la Royal Institución; fue jefe del Frequency Advisory Committee. Falleció en Londres.
Además del Nobel, había recibido las Medallas Hughes en 1931, Royal en 1946 y Copley, de la Sociedad Real de Londres, en 1966, así como la Roeblind de la Sociedad de Mineralogía de América en 1948. Doctor honoris causa por las Universidades de Dublín, Leeds, Manchester, Lisboa, París, Lieja, Bruselas, Durham y Colonia, era Oficial de la Orden del Imperio Británico, Comendador de la Orden Leopoldo de Bélgica, miembro de la Royal Society y miembro de honor de las Academias de Ciencias de Suecia, Alemania, Bélgica y París, así como de la Sociedad Filosófica Estadounidense, de la China de Física, de la Academia Estadounidense de Artes y Ciencias, de la Nacional de Ciencias de Washington y de la Sociedad Francesa de Mineralogía y Cristalografía.
Sus publicaciones más importantes son: The Crystalline State, Atomic Structure of Minerals, The History of X ray Analysis y Cristal Structures of Minerals.
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