Tvede blev født i København som søn af skomagermester Johan Frederik Tvede og Christine f. Norup og havde et ganske usædvanligt tegnetalent, hvorfor han allerede som 13-årig (1839) kom på Kunstakademiet som elev hos G.F. Hetsch. Han blev samtidig snedkersvend 1845, men fortsatte sin kunstneriske uddannelse og vandt 1853 den store sølvmedalje som arkitekt, ligesom han med understøttelse fra forskellige sider (Den Reiersenske Fond, Det Classenske Fideicommis og Landhusholdningsselskabet) foretog flere udenlandsrejser. Han afbrød sine studier for at deltage i Treårskrigen som frivillig. Indtil krigen var han tillige tegnelærer ved Det tekniske Institut. 1857 ægtede han Marie Ostermann (f. 16. juni 1836), datter af købmand i Kalundborg Henrik Christoffer Ostermann og Louise Emilie f. Schou. Tvede havde bopæl i København til sin død i 1891.  Karriere Tvede ledede bl.a. restaureringen af kirkerne i Kalundborg og Nyborg samt af Valdemarstårnet i Vordingborg, han har bygget kirker i Vedbæk, Humlebæk, Astrup og Husby, mosaisk ligkapel (nedrevet), rådhusene i Nyborg, Nakskov, Sorø, Stubbekøbing og Nykøbing Falster, Den Danske Frimurerorden og Kædeordenens bygninger i Klerkegade, De Classenske Boliger på Frederiksberg (nedrevet), de Classenske Huse i Ny Toldbodgade. Fra Hetsch arvede Tvede smagen for den nyromanske stil med lisener og rundbuefriser i røde mursten. Eksempler herpå er Vedbæk Kirke, Humlebæk Kirke og Nakskov Hospital. Mere roste er hans mere jævne opgaver som de Classenske arbejderboliger og de engelske rækkehuse i Toldbodgade, hvor facadeudtrykket er forenklet og planlægningen stram. Vilhelm Tvede gennemførte flere hårdhændede kirkerestaureringer, men som var typiske for tiden. Hans genopførelse af det i 1827 sammenstyrtede midtertårn på Kalundborg Vor Frue Kirke (fuldført 1871) betragtes dog som et vellykket og historisk korrekt projekt. Efter at Landhusholdningsselskabet i 1857 havde gennemført en konkurrence om avlsbygninger, fik Tvede en del opgaver inden for landbruget. Også hovedbygninger tegnede han en del af, f.eks. Ryegaard (nedrevet) ved Roskilde. 1871 blev han Ridder af Dannebrog. Han er begravet på Assistens Kirkegård.