Born in Nantwich, Cheshire, dritter Sohn eines Bankiers und Amateur-Botanikers/Geologen, besuchte Bowman ab 1826 die Hazelwood School in der Nähe von Birmingham. Ein Unfall in der Kindheit, bei dem er mit Schießpulver in Berührung kam, soll sein Interesse an der Medizin geweckt haben. 1832 ging er im Birmingham General Hospital bei dem Chirurgen Joseph Hodgson in die Lehre. 1837 verließ er Birmingham, um seine Ausbildung zum Chirurgen fortzusetzen, und besuchte das King’s College in London, wo er als Prosektor unter Robert Bentley Todd, einem Professor für Physiologie, tätig war.

Seine erste bemerkenswerte Arbeit war über die Struktur des quergestreiften Muskels, für die er 1841 zum Fellow der Royal Society gewählt wurde. Im Alter von 25 Jahren entdeckte er die so genannte Bowman-Kapsel, eine Schlüsselkomponente des Nephrons. Er stellte seine Erkenntnisse 1842 in seiner Arbeit „On the Structure and Use of the Malpighian Bodies of the Kidney“ der Royal Society vor und wurde mit der Royal Medal ausgezeichnet. Seine Zusammenarbeit mit Todd führte zur Veröffentlichung der fünfbändigen „Physiological Anatomy and Physiology of Man“ (1843-1856) und der „Cyclopaedia of Anatomy and Physiology“ (1852), in denen sie ihre Forschungen über Mikroskopie und Histologie detailliert darstellten und kleinste anatomische Beobachtungen mit physiologischen Funktionen verknüpften. Ihr umfassender Einsatz von Mikroskopen revolutionierte das Studium der Anatomie und Physiologie. Neben der Bowman-Kapsel sind weitere anatomische Strukturen nach ihm benannt:

• Bowman-Drüsen – in der Riechschleimhaut
• Bowman-Membran – die vordere Begrenzungsmembran in der Hornhaut

Nach Abschluss seiner chirurgischen Ausbildung im Jahr 1844 praktizierte Bowman als Augenarzt am Royal London Ophthalmic Hospital (später bekannt als Moorfields Eye Hospital). Er war ein früher Anwender des von Hermann von Helmholtz 1851 erfundenen Ophthalmoskops. Zwischen 1848 und 1855 lehrte er auch am King’s College. 1880 gründete er die „Ophthalmologische Gesellschaft“, aus der später das Royal College of Ophthalmologists hervorging.

Im Jahr 1870 beauftragte er den Architekten Philip Webb mit dem Umbau von Joldwynds, Bowmans Haus in Holmbury St Mary, Surrey. Es wurde 1874 fertiggestellt.

1884 ernannte ihn Königin Victoria zum Baronet. Er starb am 29. März 1892 in Joldwynds und ist auf dem benachbarten Kirchhof von Holmbury St. Mary begraben. In der St. James’s Church, Piccadilly, befindet sich ein Denkmal für ihn.

Ein Denkmal für Sir William Bowman, 1st Baronet, in der St James’s Church, Piccadilly.