Ojciec Wilhelma Spemanna, Adolph Spemann (urodzony 6 lutego 1812 w Hörde, obecnie Dortmund, † 16 grudnia 1851 w Dortmundzie) pochodził ze starej rodziny rolniczej z Rheinen . Zarówno dziadek Johann Friedrich Wilhelm Spemann (* 2 grudnia w Rheinen, obecnie Schwerte ; † 5 grudnia 1813 w Hörde, obecnie Dortmund) i pradziadek byli właścicielami czynszu , pradziadek od 1793 do 1800 roku był także burmistrzem Hörder. Dziadek był także królewskim radnym pruskim i właścicielem Hörder Burg , którego babcia Elisabeth Spemann z domu Crone (ur. 2 kwietnia 1772 w Hörde, obecnie Dortmund, † 14 grudnia 1856 tamże) 23 października 1840 r. Do Hermanna Diedricha Piepenstockasprzedany. Matka Wilhelma Spemanna, Thekla Spemann, z domu Keller (* 15 lipca 1815 w Erlangen, † 9 grudnia 1895 w Stuttgarcie), była córką prawnika Ludwiga Kellera (* 18 lipca 1786 w Orsoy, obecnie Rheinberg; † 26. Lipiec 1869 w Hamm). Wilhelm Spemann został ochrzczony jako protestant.

Ojciec Adolph Spemann osiadł w Dortmundzie jako prawnik i notariusz, tak więc Wilhelm Spemann tam dorastał. Do gimnazjum w Dortmundzie uczęszczał do 1862 roku, kiedy to wyjechał do Montreux i Zurychu z powodu astmy . W Zurychu uczęszczał na wykłady na uniwersytecie i politechnice , m.in. u Friedricha Theodora Vischera i Johannesa Scherra . Rozpoczął praktykę jako księgarz, który zaprowadził go do Stuttgartu i Lipska . Z powodu nawrotu astmy zimę 1866/1867 spędził w Rzymie, gdzie zetknął się z niemieckimi naukowcami i artystami. W 1868 r. Dołączył do Weise'sche Hofbuchhandlung Stuttgart jako upoważniony sygnatariusz, który kupił 1 stycznia 1870 r. I działał pod nazwą Julius Weise's Hofbuchhandlung Wilhelm Spemann.

Wilhelm Spemann był dwukrotnie żonaty: najpierw z Lisanką Hoffmann (1839–1871) z Ballenstedt, a następnie z Marie Adriani (1849–1917) z Hattingen.  Oba śluby odbyły się w Dortmundzie, to z Lisanką Hoffmann w Kościele Mariackim . Miał sześcioro dzieci, w tym dwóch wydawców Gottfrieda i Adolfa oraz biologa i zdobywcę Nagrody Nobla Hansa Spemanna .