Вильгельм фон родился 15 октября 1805 года в городе Арользен, Германия. В 1821 году поступил в дюссельдорфскую Академию художеств, в 1826 переехал в Мюнхен и в течение некоторого времени обучался в мюнхенской Академии художеств.
В 1835 году Каульбах предпринял поездку в Италию, где создал большое количество рисунков и эскизов по мотивам природы Италии. По возвращению он создал ряд самостоятельных работ в Мюнхене, в том числе плафон «Аполлон и музы» в Одеоне, несколько фресок в аркадах мюнхенского Хофгартена, несколько настенных картин в королевском дворце и ряд изображений на темы из стихотворений Клопштока в «Кёнигсбау».
В этих работах уже нашёл своё выражение замечательный талант художника как в рисунке, так и в композиции. Однако такие картины не соответствовали мечтам художника о создании произведений, отражающих драматические и патетические события, какими стали два поразительных по своей экспрессивности рисунка к «Преступнику из-за потерянной чести» и «Дому умалишенных» Шиллера.
В 1834-1837 годах Каульбах создал своё бесспорно лучшее произведение: величественную «Битву гуннов». За этим произведением следовала не менее значительная картина Каульбаха «Разрушение Иерусалима».
Упомянутые работы обеспечили художнику имя и известность по всей Германии, благодаря чему прусский король Фридрих Вильгельм IV поручил ему роспись стен парадной лестницы берлинского Нового музея.
В дальнейшем Каульбах иллюстрирует Гете, пишет фрески на внешних стенах Новой пинакотеки в Мюнхене, затем ряд портретов; рисует иллюстрации к драмам Шекспира и Шиллера.
Вильгельм фон Каульбах умер 7 апреля 1874 года во время великой эпидемии холеры в Мюнхене.
Он по праву считается одним из наиболее значительных представителей немецкой исторической живописи.