Stadholder
En 1671 se hizo evidente que Luis XIV de Francia y Carlos II de Inglaterra estaban planeando un ataque conjunto a las Provincias Unidas, y las demandas para el nombramiento de Guillermo como capitán general se hicieron insistentes. Fue nombrado en febrero de 1672, aunque al principio con una autoridad muy limitada. En marzo y abril Carlos y Luis se declararon la guerra, y en junio las tropas francesas cruzaron el río Rin e invadieron tres provincias en otras tantas semanas. La marina holandesa pudo contener a los ingleses, pero el ejército había sido descuidado y estaba mal entrenado y equipado. Como último recurso, se inundaron los pólderes, o zonas bajas, y Guillermo, con sus escasas y poco experimentadas tropas, tuvo que defender la «línea de flotación»
El pánico se apoderó del país, y hubo airadas demandas para que el príncipe fuera elevado a la jefatura del estado. Los pocos disidentes fueron desautorizados, y el 8 de julio (Nuevo Estilo) fue proclamado stadholder por los Estados Generales, posteriormente ratificado por los estamentos provinciales de las provincias ocupadas. Uno de sus primeros actos, realizado con la aprobación de los Estados, fue rechazar las ruinosas condiciones de paz ofrecidas por los dos reyes. Sin embargo, los desórdenes civiles no habían terminado. El 20 de agosto, Johan de Witt y su hermano, sospechosos injustamente de traición, fueron asesinados por una turba enfurecida en La Haya. Guillermo no estaba en absoluto implicado en el crimen y se enfureció cuando se enteró, pero, debido al número de los asesinos y quizá a la situación revolucionaria general, no consiguió llevarlos ante la justicia.
En pocas semanas el país se calmó y durante un año resistió casi en solitario. En el otoño de 1672 Guillermo había conseguido la ayuda del emperador del Sacro Imperio Romano Germánico Leopoldo I y del elector de Brandeburgo, y en 1673 España se unió a la alianza, pero su ayuda no fue inmediatamente efectiva. Mientras tanto, Guillermo fue reconstruyendo su ejército y en septiembre de 1673 reconquistó la fortaleza clave de Naarden. A continuación, se adentró rápidamente en el territorio de Colonia, unió sus fuerzas a las del emperador y el 12 de noviembre capturó Bonn. Los franceses, amenazados por el cerco, se apresuraron a evacuar las Provincias Unidas. Carlos II y los aliados menores de Luis se vieron obligados a firmar la paz a principios de 1674. La aventura holandesa de Luis había fracasado y había puesto a media Europa en su contra, pero aún mantenía muchas plazas en Alemania y los Países Bajos españoles, por lo que la guerra continuó y se extendió a zonas más remotas del continente. La principal preocupación de Guillermo durante los siguientes cuatro años fue el mando de los ejércitos holandeses en Flandes, aunque los asuntos domésticos holandeses y los repetidos intentos de encontrar una fórmula de paz aceptable ocuparon gran parte de su tiempo. La paz se logró finalmente mediante una serie de tratados en 1678 y 1679.