Fils aîné du duc Jean-Guillaume de Saxe-Weimar et de Dorothée-Suzanne de Simmern, il succède à son père à sa mort.
Frédéric-Guillaume épousa le 5 mai 1583 Sophie de Wurtemberg , fille du duc Christophe de Wurtemberg . Du fait de son jeune âge, la régence est exercée par l’électeur Auguste 1er de Saxe jusqu’à sa majorité, en 1586.
Veuf, Frédéric-Guillaume 1er se remarie le 9 septembre 1591 avec Anne-Marie de Neubourg , fille du comte palatin Philippe-Louis de Palatinat-Neubourg .
Il devient à son tour régent en 1591 pour Christian II , le petit-fils d’Auguste, au nom duquel il gouverne l’électorat de Saxe [1] jusqu’en 1601. À sa mort, l’année suivante, il laisse quatre fils en bas âge. Le duché de Saxe-Weimar revient à son frère cadet Jean II de Saxe-Weimar .