En la época de la muerte de su padre (1573), Federico Guillermo aún era menor de edad; por esto, se nombró un gobierno de regencia en el ducado. La duquesa Dorotea Susana no pudo impedir que el elector Augusto de Sajonia -de la línea albertina- fuera nombrado regente en lugar de ella.

En 1586, Federico Guillermo fue declarado adulto y empezó su gobierno independiente sobre Sajonia-Weimar. Cinco años más tarde, en 1591, el elector Cristián I de Sajonia murió y le sucedió su hijo mayor, Cristián II. Debido a que el nuevo elector aún era menor de edad, la regencia del electorado fue asignada a Federico Guillermo. Con el título de Administrator des Sächsischen Kurstaates (Administrador del Electorado Sajón) asumió la residencia en Torgau y descuidó el gobierno de su ducado. Esto lo asumió su hermano menor, Juan, que tenía que intervenir -de acuerdo con la ley de la línea ernestina- de todas formas en el gobierno.

En 1601, terminó la regencia en el Electorado de Sajonia con la mayoría de edad del elector Cristián II, y Federico Guillermo regresó a Weimar. Sin embargo, murió un año después y no dejó suficiente huella en la historia del ducado.

Federico Guillermo se casó en Weimar el 5 de mayo de 1583, primero con Sofía, hija de Cristóbal, duque de Wurtemberg. Tuvieron seis hijos:

1. Dorotea María (Weimar, 8 de mayo de 1584 -9 de septiembre de 1586).
2. Juan Guillermo (Weimar, 30 de junio de 1585-23 de enero de 1587), príncipe heredero de Sajonia-Weimar.
3. Federico (Weimar, 26 de septiembre de 1586-19 de enero de 1587).
4. Dorotea Sofía (Weimar, 19 de diciembre de 1587-10 de febrero de 1645), princesa-abadesa de Quedlinburg en 1618.
5. Ana María (Weimar, 31 de marzo de 1589-Dresde, 15 de diciembre de 1626).
6. Hijo nonato (Vacha, 21 de julio de 1590).

El 9 de septiembre de 1591, Federico Guillermo se casó en Neuburg an der Donau en segundas nupcias con la condesa palatina Ana María, hija de Felipe Luis del Palatinado-Neoburgo. Tuvieron seis hijos:

1. Juan Felipe (Torgau, 25 de enero de 1597-Altemburgo, 1 de abril de 1639), duque de Sajonia-Altemburgo.
2. Ana Sofía (Torgau, 3 de febrero de 1598-Öls, 20 de marzo de 1641), se casó el 4 de diciembre de 1618 con el duque Carlos Federico I de Münsterberg-Oels.
3. Federico (Torgau, 12 de febrero de 1599-muerto en batalla, 24 de octubre de 1625), duque de Sajonia-Altemburgo.
4. Juan Guillermo (Torgau, 13 de abril de 1600-caído en las afueras de Brieg, 2 de diciembre de 1632), duque de Sajonia-Altemburgo
5. Dorotea (Torgau, 26 de junio de 1601-Altemburgo, 10 de abril de 1675), se casó el 24 de junio de 1633 con Alberto IV de Sajonia-Eisenach.
6. Federico Guillermo II (nacido póstumamente en Weimar, 12 de febrero de 1603-Altemburgo, 22 de abril de 1669), duque de Sajonia-Altemburgo.

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