Le Grand-Duc Guillaume IV demeure une figure relativement méconnue de l’histoire luxembourgeoise, bien qu’il ait joué un rôle crucial dans la consolidation de la dynastie nationale. Étendu sur un peu plus de six ans, son règne est assombri par la progression d’une maladie qui le frappe dès 1898, le plongeant progressivement dans l’aphasie. Toutefois, malgré sa santé fragile, Guillaume IV a laissé un héritage significatif, notamment par sa décision de confirmer sa fille, Marie-Adélaïde, comme héritière du trône, assurant ainsi la continuité de la maison de Nassau-Weilburg.

Les premières années du Prince Guillaume sont étroitement liées au Duché de Nassau, où ses ancêtres ont régné pendant près de neuf siècles. Son éducation, confiée à des précepteurs privés, vise à le préparer à la vie militaire et à ses futures responsabilités princières. Dès 1858, il étudie au château de Biebrich sous la supervision du professeur Philipp Türck. Il suit des cours de langues anciennes et modernes, de mathématiques, d’histoire, de littérature et de religion et développe sous l’égide du conseiller ecclésiastique Dilthey une sensibilité spirituelle marquée. Des leçons de dessin, de musique, de danse et d’étiquette complètent cette instruction, qui inclut à partir de 1863 un volet militaire.

Enfant vif et curieux, Guillaume étudie dès 1862 avec Adolph Goetz, fils du conseiller Friedrich Goetz, et séjourne avec lui dans le Rheingau et au pavillon de chasse de Platte, propriété de la famille ducale. À onze ans, il rencontre l’Empereur François-Joseph Ier d’Autriche et prononce en 1864 un discours très remarqué lors du 25e anniversaire du règne de son père. Ses jeunes années sont également ponctuées de visites à son oncle, le Prince Nicolas, et d’excursions dans la région de Wiesbaden.

L’année 1866 marque un tournant décisif dans la vie du Prince Guillaume, alors âgé de 14 ans. Le Duc Adolphe, fidèle à ses convictions, soutient l’Autriche dans le conflit qui l’oppose à la Prusse, mais après la défaite autrichienne lors de la bataille de Königgrätz, la Prusse annexe le Duché de Nassau et Adolphe perd son trône. La famille ducale doit alors quitter son fief historique. 

Après un premier séjour à Heidelberg et une halte à Rumpenheim, la famille passe le printemps et l’été 1867 en partie à Ouchy, près de Lausanne, et en partie à Gräfenberg, où Guillaume célèbre sa confirmation le 7 juillet 1867.

Privé de ses prétentions dynastiques sur le Duché de Nassau, le Prince Guillaume choisit une carrière militaire. En septembre 1867, il intègre l’école des cadets du Royaume de Saxe à Dresde. Après avoir obtenu son diplôme, il séjourne en Suisse pour préparer son examen d’officier, qu’il réussit avec mention très bien le 17 octobre 1871 à Brünn. Il rejoint ensuite l’armée autrichienne en tant que lieutenant dans le régiment de dragons n° 12 « Graf Neipperg » à Proßnitz (Prostějov en Tchéquie).

Il sert alors dans diverses garnisons de la monarchie autrichienne, est promu premier lieutenant en 1873, puis capitaine en 1875. Le Prince Guillaume, qui participe à de nombreuses manœuvres militaires, est très estimé de ses supérieurs et de ses camarades pour ses compétences, son sérieux et sa courtoisie. Il gravit progressivement les échelons, devient major en 1878, lieutenant-colonel en 1881, puis colonel en 1884, grade qui lui vaut le commandement du régiment de hussards n° 1 «Kaiser».

En 1884, la mort du prince Alexandre d’Orange-Nassau, héritier désigné du roi grand-duc Guillaume III, renforce la probabilité que son père, Adolphe, accède au trône du Luxembourg. Le Prince Guillaume se prépare alors activement à son rôle de Prince Héritier. Il quitte ses fonctions militaires et accompagne son père lors d’un premier séjour au Luxembourg en 1889, durant la régence de celui-ci. Il y retourne en novembre 1890, lors de l’accession au trône d’Adolphe, et Paul Eyschen, chef du gouvernement luxembourgeois, l’initie aux affaires courantes du pays.

En 1884, le Duc Adolphe refuse son consentement, invoquant la différence de confession entre le Prince Guillaume, protestant, et la Princesse Marie-Anne, catholique, issue de la dynastie royale portugaise en exil, la famille de Bragance. Toutefois, la famille de Marie-Anne entretient des liens avec le clergé luxembourgeois et il est probable que l’évêque de Luxembourg, Koppes, ait été au courant de ces projets de mariage.

En 1890, le Prince Héréditaire Guillaume sollicite l’intervention de Paul Eyschen auprès du Saint-Siège afin d’obtenir la bénédiction du pape Léon XIII, en vain. Le pape refuse de déroger à la pratique et exige que les enfants issus de cette union soient élevés dans la foi catholique. Si Guillaume se montre prêt à accepter cette condition, son père, attaché à la tradition protestante des Nassau, demeure réticent. Ce n’est qu’en 1893 que le Grand-Duc Adolphe donne finalement son accord à l’union de son fils avec la Princesse Marie-Anne.

Le mariage est célébré au château de Fischhorn, à Zell am See, le 21 juin 1893, à la fois selon le rite catholique et la coutume protestante. La naissance de leur fille aînée, la Princesse Marie-Adélaïde, symbolise la transition confessionnelle de la dynastie luxembourgeoise puisqu’elle est baptisée selon la tradition catholique. 

Le couple aura six filles : la Princesse Marie-Adélaïde (1894–1924), qui a succédé à son père ; la Princesse Charlotte (1896–1985), qui a succédé à sa sœur ; la Princesse Hilda (1897–1979), la Princesse Antonia (1899–1954), la Princesse Elisabeth (1901–1950) et la Princesse Sophie (1902–1941).

En 1898, alors qu’il loge au Palais grand-ducal, le Grand-Duc Adolphe glisse et se fracture le col du fémur. En apprenant la nouvelle, Guillaume est victime d’une attaque cérébrale dont il semble se remettre assez rapidement. Ce n’est qu’à partir de 1905, année de son accession au trône grand-ducal, que les séquelles de cette attaque cérébrale se manifestent. Alors que Guillaume IV séjourne au château de Hohenburg, en Bavière, il est victime d’une nouvelle attaque qui marque le début d’une paralysie progressive.

Son état de santé se dégrade rapidement et il devient progressivement incapable d’exercer ses fonctions. La Famille grand-ducale ne réside alors que rarement au Luxembourg, le Grand-Duc devant suivre des cures et des traitements qui le tiennent éloigné de son pays d’adoption. En 1908, son épouse Marie-Anne prête serment comme régente du Grand-Duché, assurant la continuité du pouvoir. L’ancien château de Berg, résidence luxembourgeoise du couple héritier avant l’accession au trône de Guillaume IV, étant en cours de reconstruction, l’administration grand-ducale loue alors la Villa Schaefer pour permettre à la régente de résider à proximité du Palais grand-ducal avec ses filles.

En l’absence d’héritier mâle, la succession du Grand-Duc Guillaume IV, dernier agnat des Nassau, est contestée. Ainsi, en 1907, un cousin issu du mariage morganatique du frère d’Adolphe – Nicolas de Nassau – avec la fille du poète russe Pouchkine se réserve le droit de prétendre au trône grand-ducal et au patrimoine familial. Il reçoit même le soutien de certains députés libéraux-socialistes, avant que Guillaume IV ne confirme la légitimité de la Princesse Marie-Adélaïde par un ajout au Pacte de famille. Par ce geste, il abolit la loi salique en matière de succession.

Frappé d’aphasie depuis sept années, le Grand-Duc Guillaume IV ne connaît aucun répit et s’éteint le 25 février 1912, cinq mois après son retour au château de Berg dont les travaux de reconstruction sont terminés. Sa dépouille est alors transférée dans la crypte de l’église protestante de Weilburg où reposent déjà ses ancêtres Nassau.