В 1929 г. Уильям Стайн поступил в Гарвардский университет и через четыре года окончил его со степенью бакалавра химии. Начал работать в Рокфеллеровском институте медицинских исследований в Нью-Йорке под руководством Макса Бергмана. В 1938 г. получил докторскую степень. Во время Второй мировой войны работал над проектами, связанными с военными целями.

В 1945 г. Стайн продолжил исследования в области количественного анализа аминокислот. В 1958 г. он вместе со Стэнфордом Муром создал первый автоматический анализатор аминокислот. За "вклад в прояснение связи химической структуры и каталитического действия активного центра молекулы рибонуклеазы" Стайну присуждена Нобелевская премия по химии 1972 года, которую он разделил со Стэнфордом Муром и Кристианом Анфинсеном.

Интерес Стайна к распространению научной информации способствовал тому, что учёный посвящал значительную часть своего времени "Журналу биологической химии" (Journal of Biological Chemistry), где в 1958-68 гг. работал редактором, а в 1968-71 гг. - главным редактором. В 1968-69 годах Стайн возглавлял Госкомитет по биохимии США. Учёный был также попечителем больницы Монтефиоре и входил в консультативный совет Медицинской школы Еврейского университета.

В 1969 г. учёный тяжело заболел. Несмотря на то, что у него развился паралич и он был прикован к креслу-каталке, Стайн сохранил живой интерес к научным исследованиям до последних дней жизни.

Имя Уильям - английская форма германского имени Willahelm, состоящего из элементов wil - "желание" и helm - "шлем, защита". Хауард (Говард) - английское имя с несколькими вариантами происхождения. Фамилия Штейн произошла от немецкого слова Stein, которое означает "камень".