Der Wilhelmsthaler Schlosspark umfasste ursprünglich fast 20 Hektar, von denen heute noch 15 Hektar zur Liegenschaft gehören. Ursprünglich ab 1700 als streng geometrischer barocker Schlosspark angelegt und von einem vollständig umfriedeten, 2.200 Hektar großen Wildgehege umgeben, wurde das Parkareal ab 1795 bis 1820 als Englischer Landschaftspark umgestaltet. Namhafte Gärtnerdynastien wie die der Petri und Sckell, aber auch Hermann Fürst von Pückler-Muskau wirkten hier umfangreich, begeistert und zielstrebig, um dem rauen Klima des Eltetals einen kunstvollen Park und eine Gartenkultur von hohem Stand abzugewinnen. Gerade Wilhelmsthal darf aufgrund der regen Tätigkeit des Parkomanen als herausragender Pücklerpark in Thüringen gelten.
Nicht die Aneinanderreihung ländlich bescheidener Pavillons ließ Wilhelmsthal zum Lieblingssommersitz der Eisenacher und Weimarer Herzöge und Großherzöge werden, sondern viel mehr die Fülle an Möglichkeiten sich hier einmal fern des strengen Hofprotokolls von Weimar zu entfalten und den eigenen Neigungen nachzugehen. Um Wilhelmsthal konnte man unbeschwert jagen, in der Umgegend stundenlang spazierengehen, unter den Parkbäumen schöpferisch tätig sein oder mit dem Boot auf dem See umherfahren. Die ungezwungene Atmosphäre nutzte man nicht nur für sich. Wilhelmsthal war Sommerresidenz für die Hocharistokratie, aber auch Vorhof und Sommerbühne gleichermaßen. Doch auch im Winter stattete man den einsamen Schlossgebäuden Besuche ab und lief Schlittschuh oder veranstaltete Schlittenfahrten. Wilhemsthal blieb in allen Epochen der Durchgestaltung stets ein ungekünstelter Naturpark, doch war er mehr als nur sich windende Sandwege, weite Wiesen und Baumgruppen.
Der 7 Hektar große Wilhelmsthaler See ist der vermutlich älteste fürstliche Stausee Deutschlands. Er wurde bis zum Jahr 1712 durch beträchtliche Aufschüttungen angestaut, wobei auch die herzogliche Familie mit anpackte. Mit den beeindruckenden Dimensionen des Sees ist dem Erbauer Wilhelmsthals, Herzog Johann Wilhelm von Sachsen-Eisenach, ein besonderes Kunststück gelungen. Der See bot mit seiner großen Spiegelfläche nicht nur einen gestalterischen Reiz der Parkgestaltung. Er eignete sich auch hervorragend für Bootsfahrten und Wasserjagden. Hier fuhr man mit einer zweistöckigen venezianischen Gondel und weißem Segel umher. Außerdem feuerte man zum Vergnügen kleine Miniaturkanonen ab. Der Damm des Wilhelmsthaler Sees wurde bei gutem Wetter als Aufführungsort der Eisenacher Hofkapelle genutzt. Ab 1790 gestaltete man die einst gerade gezogenen Uferlinien neu und besetzte den See mit eigens aus Mecklenburg herangeschafften Schwänen und türkischen Enten. Am Ein- und Auslauf des Sees wurden stattliche Kaskaden angelegt, über die jeweils eine Brücke gespannt wurde. Johann Wolfgang von Goethe liebte es bei seinen zahlreichen Aufenthalten auf Schloss Wilhelmsthal hier zu rudern oder Forellen zu fangen.
Nach einigen kritischen Hochwasserereignissen jüngsten Datums musste der Damm in den Jahren 2015 bis 2016 aufwändig umgestaltet, ertüchtigt und erhöht werden, um den Anforderungen eines modernen Hochwasserschutzes zu entsprechen.