Такой человек не мог долго находиться на вторых ролях. Ему недоставало только удобного случая, чтобы стать во главе республики. Такой случай представился в 1672 году, когда началась война с Францией. Сначала Генеральные штаты назначили Вильгельма на должность генерал-капитана. Вскоре тяжёлые поражения и неудержимое нашествие французов произвели сильный переворот в умах голландцев: все надежды возлагались теперь только на принца Оранского. Вследствие волнений, вспыхнувших во многих городах, Вильгельм в июле был провозглашён штатгальтером, а в августе восставшая чернь убила в Гааге Яна Витта и его брата. Если Вильгельм и не был прямым вдохновителем этих событий, он, несомненно, всецело их одобрил. Всё государство подчинилось господствующему влиянию молодого штатгальтера. Он застал страну уже во власти французов, а голландскую армию оттеснённой за линию плотин. Оставалось последнее средство остановить врага, и Вильгельм, не колеблясь, воспользовался им - он приказал открыть шлюзы и пустил против захватчиков море. Осенью голландцы перешли от обороны к наступательным действиям, проникли до самого Маастрихта, затем вторглись во Францию и осадили Шарлеруа. Брауншвейгский курфюрст и император Леопольд заключили с Голландией союз. Появление имперской армии на Рейне заставило Людовика XIV разделить свои войска. Вслед за тем войну против Франции начал испанский король. В 1673 году французы были вытеснены из Нидерландов. Англо-французский флот после ожесточённой битвы при мысе Гельдера должен был отступить от голландских берегов. Эти победы принесли Вильгельму огромную популярность. Он был объявлен наследственным штатгальтером и генерал-капитаном Голландии, Зеландии и Утрехта. Война переместилась в испанскую Бельгию. Летом 1674 года Вильгельм во главе испанских и голландских войск дал сражение французскому полководцу принцу Конде у Сенефа, близ Девена. После сильного кровопролития победа, хотя и неполная, осталась за французами. Вильгельм отказался от намерения вторгнуться во Францию и отступил. В следующем году французы овладели всей линией Мааса - взяли крепости Гюи, Люттих и Лимбург. В 1676 году Вильгельм не смог спасти испанских крепостей Бушена и Конде, осаждённых самим Людовиком XIV. Он хотел отомстить за это взятием Маастрихта, но принуждён был отступить от него. Знаменитый голландский адмирал Рюйтер, отправившийся с эскадрой в Средиземное море, был там наголову разбит адмиралом Дюкеном и сам пал в бою. В 1677 году французы овладели Валансьеном, Камбре и Сент-Омером. Вильгельм попытался выручить последний город, но был разбит при Монкасселе. В 1678 году он заключил в Амстердаме мир. Людовик вернул Голландии Маастрихт, а Вильгельму - княжество Оранское. Таким выгодным условиям мира много способствовала женитьба Вильгельма на Марии, дочери герцога Йоркского (будущего английского короля Иакова II). Этот брак был основан на чисто политическом расчёте и тем не менее оказался удачным. Правда, вначале Вильгельм не мог похвастаться супружеской верностью. Но Мария переносила неверность мужа с кротостью и терпением и постепенно приобрела любовь и расположение мужа.
Амстердамский мир не мог быть долгим. В 1681 году Людовик овладел Страсбургом. После этого Вильгельм и шведский король Карл XI подписали в Гааге союзный договор, направленный против Франции. Император и испанский король вскоре присоединились к этому союзу. В 1686 году с вступлением новых членов он был оформлен в Аугсбургскую лигу.
В это время судьба предоставила Вильгельму случай значительно расширить своё могущество. В июне 1688 года он получил формальное приглашение из Англии, от лидеров тори и вигов, занять английский престол. Они писали, что английский народ жаждет перемен и охотно объединится для свержения Иакова. Они обещали принцу полный успех, если он явится в Англию во главе отряда в 10 тысяч человек. Вильгельм немедленно стал готовиться к походу. Очень важно было повернуть в свою сторону общественное мнение. Вильгельм заранее позаботился об этом составлением манифеста, где каждое слово было продумано и имело вес. Он объявил, что выступает в защиту английских законов, постоянно нарушаемых нынешним королём, и на защиту веры, подвергаемой столь явному притеснению. Он клятвенно уверял, что у него нет никакой мысли о завоевании и войско его будет удерживаться строжайшей дисциплиной. Как только страна освободится от тиранства, он отошлёт войска назад. Единственная цель его - чтобы созван был свободно и законно избранный парламент. Решению этого парламента он обещал предоставить все общественные дела.