Hän on William H. Gatesin vanhemman (s. 1925) ja Mary Maxwell Gatesin (1929<unk>1994) poika. Hänen esivanhempiinsa kuuluvat englantilaiset, saksalaiset, irlantilaiset ja skotti-irlantilaiset. Hänen isänsä oli huomattava asianajaja, ja hänen äitinsä palveli First Interstate BancSystemin ja United Wayin hallituksessa. Gatesin isoisä oli J. W. Maxwell, kansallispankin presidentti. Gatesilla on yksi vanhempi sisar, Kristi (Kristianne), ja nuorempi sisar, Libby. Hän on neljäs hänen nimellään perheessään, mutta hänet tunnetaan William Gates III tai "Trey" koska hänen isällään oli "II" ASX.
Vanhempi sisar Kristi (Kristianne) ja nuorempi sisar Libby