Favorable al creacionismo antiguo de la Tierra y a la teoría del Diluvio Universal, fue finalmente convencido de la realidad de las glaciaciones por Louis Agassiz, lo que marcó un giro importante en su pensamiento científico. Buckland fue uno de los primeros en aceptar la teoría glacial en las Islas Británicas, contribuyendo a su difusión.

William Buckland nació en Axminster, Devonshire, y cuando niño acompañó a su padre, el rector de Templeton y Trusham, en sus caminatas, durante las cuales hallaban y coleccionaban conchas fósiles, incluyendo ammonites del Jurásico en estratos visibles en las canteras. Esta temprana exposición a los fósiles despertó en él un interés que marcaría toda su vida.

Consiguió una beca en 1801 para estudiar Teología en el Corpus Christi College de la Universidad de Oxford, al mismo tiempo que asistía a las clases de John Kidd en mineralogía y química. Durante sus vacaciones realizaba investigaciones de campo, examinando estratos y coleccionando fósiles. Tras obtener su licenciatura en 1804 y ampliar estudios hasta 1808, pasó a ser miembro del Corpus Christi College, fue ordenado sacerdote y continuó realizando frecuentes excursiones geológicas a caballo por Inglaterra, Escocia, Irlanda y Gales.

En 1813 sucedió a John Kidd en sus cursos de mineralogía, dando charlas animadas y populares, cada vez con mayor énfasis en la geología y la paleontología. Como encargado no oficial del Ashmolean Museum, constituyó colecciones, viajó por Europa y entró en contacto con muchos científicos, incluido Georges Cuvier, cuya influencia sería decisiva en su pensamiento.

En 1818 William Buckland fue elegido miembro de la Royal Society. Ese mismo año fue persuadido por el príncipe regente para asumir una nueva cátedra de Geología, dictando la lección inaugural el 15 de mayo de 1819. La lección fue publicada en 1820 con el título Vindiciæ Geologiæ, donde defendía la compatibilidad entre la geología y la religión, intentando conciliar los relatos bíblicos con las pruebas geológicas. Su interpretación catastrofista proponía que la palabra «principio» en el Génesis podía referirse a un periodo indefinido durante el cual se sucedieron múltiples creaciones y extinciones.

A partir de sus investigaciones de los huesos fósiles en Kirkdale Cave, en Yorkshire, llegó a la conclusión de que la cueva había sido habitada por hienas en tiempos antediluvianos, en lugar de ser un depósito del Diluvio. Desarrolló estas ideas en su obra Reliquiæ Diluvianæ (1823), que se convirtió en un auténtico best-seller. Este libro lo consolidó como una autoridad científica y popularizó la idea de que los fósiles podían interpretarse mediante analogías con animales actuales.

En 1824, como presidente de la Geological Society of London, anunció el descubrimiento en Stonesfield de los huesos fósiles de un reptil gigante al que llamó Megalosaurus, escribiendo la primera descripción completa de lo que más tarde se llamaría dinosaurio. Este trabajo lo convierte en uno de los padres fundadores de la paleontología de dinosaurios.

En 1825 William Buckland renunció a su beca universitaria para asumir un cargo clerical, pero antes de hacerlo recibió una canonjía en otra parroquia, una recompensa académica sin grandes responsabilidades. Ese mismo año se casó con Mary Morland (no confundir con Mary Anning), una ilustradora y coleccionista de fósiles excepcionalmente talentosa. Su luna de miel consistió en un año de viaje por Europa visitando geólogos y yacimientos. Mary colaboró estrechamente en su trabajo científico y fue una figura clave en su carrera.

Su vida doméstica era tan excéntrica como su vida académica. Llenó su casa de animales vivos y muertos, minerales y fósiles. Era famoso por su afición a probar cualquier tipo de carne animal, desde ratones hasta panteras. La anécdota del corazón de un rey francés —probablemente Luis XIV— que Buckland habría comido accidentalmente, es una de las historias más repetidas sobre él.

En 1826 descubrió la llamada Red Lady of Paviland en Gales, que resultó ser un varón del Paleolítico Superior, el fósil humano más antiguo encontrado en el Reino Unido. Aunque Buckland lo interpretó erróneamente como una mujer romana, su hallazgo fue crucial para la paleoantropología británica.

Fue amigo y colaborador de Roderick Murchison, a quien orientó en sus investigaciones sobre las rocas que más tarde formarían el Sistema Silúrico. En 1832 presidió la segunda reunión de la British Association for the Advancement of Science.

Contribuyó con un volumen a los Bridgewater Treatises, publicado en 1836 como Geology and Mineralogy considered with reference to Natural Theology, una obra monumental que intentaba demostrar la sabiduría divina a través de la geología. Charles Babbage respondió con su Ninth Bridgewater Treatise.

En cooperación con Adam Sedgwick y Charles Lyell preparó el informe para el establecimiento del Servicio Geológico de Gran Bretaña.

Tras interesarse por la teoría glacial de Louis Agassiz, viajó a Suiza en 1838 para observar glaciares. Convencido por Agassiz, reinterpretó muchas de las formaciones británicas como resultado de glaciaciones antiguas, abandonando su anterior explicación diluvial. Este cambio fue decisivo para la aceptación de la teoría glacial en Gran Bretaña.

En 1845 fue nombrado decano de Westminster por Sir Robert Peel y se trasladó a Islip, cerca de Oxford. Participó en la restauración de la Abadía de Westminster y continuó impartiendo conferencias de geología. En 1847 fue nombrado administrador del Museo Británico y en 1848 recibió la Medalla Wollaston.

Hacia finales de 1849 contrajo una enfermedad tuberculosa debilitante que lo llevó a la muerte en 1856. Su tumba, irónicamente, se encontró sobre un afloramiento de caliza jurásica tan dura que requirió explosivos para excavarla, un detalle que parece sacado de una broma geológica final.