Swoją piłkarską karierę rozpoczął w 2004 roku w juniorskich drużynach klubu Corinthians Paulista, występującym w jego rodzinnej brazylijskiej lidze. Od 2005 roku zawodnik zaczął grę w pierwszej drużynie klubu z Brazylii. Willian grał w São Paulo aż do 2007 roku, kiedy to w letnim okienku transferowych przeniósł się do ukraińskiego klubu Szachtar Donieck.
Szachtar Donieck
Brazylijczyk podpisał z drużyną 5-letni kontrakt, zostając wykupiony za 19 milionów dolarów. W swoim debiutanckim sezonie na Ukrainie Willian zaliczył 20 występów w barwach drużyny, nie zdobywając żadnej bramki. Dopiero w sezonie 2008/2009 piłkarz zdobył swoje pierwsze gole w lidze dla drużyny z Doniecka. Ponadto gracz zaliczył 13 występów w europejskich pucharach strzelając 2 gole dla Szachtaru.
Anży Machaczkała
31 stycznia 2013 za 35 milionów euro przeszedł do klubu rosyjskiego oligarchy Sulejmana Kierimowa, Anży Machaczkała. Podpisał 5-letni kontrakt[1], ale wraz z zakończeniem sezonu 2012/13 zdecydował się opuścić klub.
Chelsea
28 sierpnia 2013 roku podpisał pięcioletni, z sumą odstępnego 39 milionów euro kontrakt z angielską Chelsea. Swojego pierwszego gola w jej barwach zdobył w spotkaniu z Norwich City, wygranym 3:1. W sezonie 2014/15 zdobył mistrzostwo Anglii, a także Puchar Ligi Angielskiej. W sezonie 2016/17 zdobył drugie mistrzostwo Anglii. W sezonie 2018/19 wygrał po raz drugi Ligę Europy. W 2020 roku oficjalna strona Chelsea poinformowała, że Willian odejdzie z klubu po wygaśnięciu kontraktu[2].
Arsenal
14 sierpnia 2020 roku podpisał 3-letni kontrakt z Arsenalem[3]. Pierwszego i zarazem jedynego gola w kampanii 2020/21 zdobył w zwycięskim meczu 3:1 z West Bromem. Po zakończeniu sezonu odszedł do brazylijskiego Corinthians Paulista[4].
Kariera reprezentacyjna
Willian zaliczył 11 występów w reprezentacji Brazylii do lat 20. Razem z kadrą wystąpił 8 razy w South American Cup i 3 razy na Mistrzostwach Świata U-20[5]. 10 listopada 2011 będąc zawodnikiem Szachtaru zadebiutował w seniorskiej reprezentacji Brazylii w towarzyskim meczu przeciwko Gabonowi. Pierwszego gola zdobył w wygranym 5:0 meczu z Hondurasem.