Baginda diputerakan pada 27 April 1967 di University Medical Center di Utrecht, Belanda. Baginda merupakan putera sulung Ratu Beatrix dan Putera Claus[2] serta cucunda pertama nenda Ratu Juliana dan Putera Bernhard. Baginda merupakan putera dalam kerabat Belanda pertama sejak kelahiran Putera Alexander dan pewaris takhta lelaki pertama setelah kematian Alexander pada tahun 1884.

Sejak lahir, Willem-Alexander memiliki gelar Putera Belanda (Bahasa Belanda: Prins der Nederlanden), Putera Oranye-Nassau (Belanda: Prins van Oranje-Nassau), dan Jonkheer dari Amsberg (Belanda: Jonkheer van Amsberg).[2] Baginda dibaptis sebagai anggota dari Gereja Reformasi Belanda[3] pada tanggal 2 September 1967[4] di Gereja Saint Jacob, Den Haag.[5] Orangtua baptisnya antara lain Putera Bernhard dari Lippe-Biesterfeld, Putera Ferdinand von Bismarck, Perdana Menteri Jelle Zijlstra, dan Ratu Margrethe II dari Denmark.[4]

Baginda memiliki dua adinda iaitu Putera Friso dari Oranye-Nassau yang lahir pada tahun 1968, dan Putera Constantijn dari Belanda yang lahir pada tahun 1969. Baginda tinggal bersama keluarganya di istana Drakesteijn di perkampungan Lage Vuursche dekat Baarn, sejak baginda lahir sehinggalah tahun 1981, sebelum mereka pindah ke istana Huis ten Bosch di Den Haag. Ibunya, Beatrix menjadi Ratu Belanda pada tahun 1980, setelah neneknya, Juliana, turun tahta. Baginda kemudian mgelar turun-temurun Putera Oranye, sebagai pewaris takhta Kerajaan Belanda[2].