Уильям родился в семье евреев - иммигрантов из Германии. По окончании средней школы в 1888 г. он изучал живопись в престижной лондонской Школе изящных искусств Слейд и в Академии Жюлиана в Париже, где его работы одобряли Эдгар Дега и Анри Тулуз-Лотрек. В 1893 г. Ротенстайн вернулся в Англию, выставлялся с Новым английским художественным клубом, работал в журналах. В 1900 г. его картина "Кукольный домик" получила серебряную медаль на Всемирной выставке в Париже.

Ротенстайн известен в первую очередь своими портретами знаменитостей, составляющими четыре коллекции: "Оксфордские персонажи" (1896), "Английские портреты" (1898), "Двенадцать портретов" (1929) и "Современники" (1937). Более 200 его портретов включены в коллекцию Национальной портретной галереи. Он был назначен официальным военным художником Британии в Первой и Второй мировых войнах. Ряд его работ принадлежит Галерее Тэйт, среди них "Мать и дитя" (1903) и "Траурная молитва в синагоге" (1907).

В 1902-12 гг. Ротенстайн жил в лондонском районе Хэмпстед, дружил с художником Максом Бирбомом и писателями Джозефом Конрадом и Гербертом Уэллсом, покровительствовал молодым художникам Марку Гертлеру и Полу Нэшу. В этот период Ротенстайн создал серию картин, вдохновлённых Ист-Эндом - еврейским районом Лондона. Часть этих работ была включена в экспозиции этапной выставки "Еврейское искусство и антиквариат" (1906) в галерее Уайтчепел. Его картина "За чтением Книги Эсфирь" экспонировалась на Всемирной выставке в Риме в 1911 г.

Ротенстайн был влюблён в индийское искусство и в 1910 г. совершил плодотворный тур по художественным и религиозным достопримечательностям Индии. В 1898 г. он стал одним из основателей галереи Карфакс, которая позднее представила английской публике Огюста Родена и провела все три выставки группы "Кэмден-Таун". Он был членом Международного общества скульпторов, живописцев и гравёров, с 1920 по 1935 г. возглавлял Королевский колледж искусств, который дал путёвку в жизнь Генри Муру, бирманцу Ба Ньяну и многим другим.

Ротенстайн был также автором ряда критических книг и статей. В 1930-х годах вышли три тома его мемуаров. В 1931 г. ему было пожаловано рыцарское звание. Его друг Рабиндранат Тагор посвятил ему свой поэтический сборник "Гитанджали" (Жертвенные песнопения), получивший Нобелевскую премию. Один из его сыновей, сэр Джон Ротенстайн, был директором галереи Тэйт в 1938-64 гг.

Имя Уильям - английская форма германского имени Willahelm, состоящего из элементов wil - "желание" и helm - "шлем, защита". Фамилия Ротенштейн произошла от идишских слов рот - "красный" и штейн - "камень".