1953年生于美国加利福尼亚州的普莱森顿，1975年，毕业于圣路易斯华盛顿大学，获得物理学学士学位、电气工程理学学士学位和数学学士学位。1982年获得康奈尔大学物理学博士学位。现为美国斯坦福大学哈利·S·莫什讲座教授，是单分子光谱和荧光光谱领域的著名专家。

1981年至1995年，莫纳在IBM位于加利福尼亚州圣荷西的研究中心担任研究人员和管理人员。1993年至1994年，在瑞士苏黎世联邦理工学院担任访问客座教授。1995年至1998年，在加利福尼亚大学担任杰出教授（物理化学领域）。1998年至今，在斯坦福大学担任教授。

莫纳曾获得不少荣誉，1984年获得罗杰·I·威尔金斯全美杰出年轻电气工程师奖；2001年获得美国物理学会厄尔勒·K·普利勒奖；2008年获得以色列沃尔夫奖化学奖；2009年获得欧文·朗缪尔化学物理学奖。

美国科学家埃里克·贝齐格、威廉·莫纳和德国科学家斯特凡·黑尔因开发出超分辨率荧光显微镜而获得2014年度诺贝尔化学奖。