Graaf van Nassau-Dietz (1640 - 1654}, vorst van Nassau-Dietz (1654 - 1664), stadhouder van Friesland (1640 - 1664), stadhouder van Groningen en Drenthe (1650 - 1664), was de zoon van Ernst Casimir van Nassau-Dietz en Sophia Hedwig van Brunswijk-Wolfenbüttel.
Willem Frederik studeerde in Leiden en Groningen en nam daarna dienst in het leger van Frederik Hendrik van Oranje. In 1640 nam hij deel aan de strijd om Hulst, waarbij zijn oudere broer Hendrik Casimir sneuvelde. Vervolgens ontstond een conflict met Frederik Hendrik van Oranje wie Hendrik Casimir zou opvolgen als stadhouder van Friesland, Groningen en Drenthe. Uiteindelijk werd Willem Frederik stadhouder van Friesland en Frederik Hendrik van Groningen en Drenthe. Tegen die tijd was de Tachtigjarige Oorlog bijna ten einde. In 1650, na het overlijden van Frederik Hendrik en van zijn zoon en opvolger Willem II, werd hij alsnog stadhouder van Groningen en Drenthe. In 1664 werd hij door de Staten-Generaal aan het hoofd van een klein expeditieleger gesteld dat de Munsterse bisschop Bernhard von Galen moest verjagen. Dat lukte, maar korte tijd daarna stierf hij na een ongeluk met een pistool.
Willem Frederik is ook bekend geworden vanwege zijn dagboeken die later teruggevonden zijn. Hierin schreef hij openhartig over emotionele onderwerpen als ziekte, lust, drankzucht, berouw en schuld.
De voorletters van Willem Frederik en zijn echtgenote Albertine Agnes zijn in de Prinsentuin in Groningen te zien in de vorm van geknipte heggetjes.
Hij werd na zijn dood in 1664 opgevolgd door zijn zoon Hendrik Casimir II.