Willem van Oldenbarnevelt, heer van den Stoutenburg was een zoon van Johan van Oldenbarnevelt. Hij werd geboren in Den Haag, waar hij in november 1590 in de Hofkapel werd gedoopt.
Hij was eerst ritmeester in een Overijsselse compagnie van het Staatse leger.
Samen met zijn broer Reinier vertrok hij eind 1607 naar Parijs voor zijn grand tour, een educatieve reis naar het buitenland om de opleiding aan de Nederlandse universiteit te vervolmaken, maar ook om de zeden van de hogere klassen in het buitenland te leren kennen. De invloedrijke gezant François van Aerssen was de voogd voor beide jongelingen. Al na een paar weken werden ze uitgenodigd bij koning Hendrik IV van Frankrijk. Reinier bleef niet lang in Parijs, maar keerde terug naar Nederland voor zijn huwelijk. Willem vermaakte zich in Parijs zo zeer met het spel jeu de paume, dat van Aerssen verontruste brieven naar Nederland stuurde dat er niet veel terechtkwam van zijn studie van de mathematiek. Johan van Oldenbarnevelt was daar niet van onder de indruk en liet weten dat hij graag zag dat Willem een functie aan het Franse Hof zou krijgen.