Вернувшись в Англию, Блай обосновался в Дугласе на Острове Мэн, где 4 февраля 1781 года женился на Элизабет (Бетси) Бетам, дочери друга своего отца. Через 10 дней после свадьбы отбыл на действительную военную службу.
В 17811783 годах участвовал в Четвертой Англо-Голландской войне. Дважды на кораблях «Белль Поуль» (15 августа 1781, битва у Доггер Банка) и «Кембридж» (1782, поход на осажденный Гибралтар) принимал участие в активных боевых действиях против голландского флота.
По окончании войны, как и большинство морских офицеров, был уволен в запас и переведен на половинное жалование. С 1783 по 1787 год, вплоть до назначения на «Баунти», работал по найму у дяди своей жены, влиятельного судовладельца и плантатора Данкана Кэмпбелла служил капитаном нескольких торговых и транспортных судов, перевозивших товары и грузы в Вест-Индию.
16 августа 1787 года лейтенант Блай при содействии Д. Кэмпбелла был назначен командиром Его Величества Вооруженного Судна «Баунти», снаряжаемого для особой миссии перевозки саженцев хлебного дерева из Южных Морей в Вест-Индию.
28 апреля 1789 года, когда после почти полугодовой стоянки на о. Таити «Баунти» возвращалась с грузом хлебного дерева, группа моряков во главе с помощником штурмана Флетчером Кристианом подняла мятеж и захватила корабль. Блай вместе с восемнадцатью лоялистами был насильно посажен на судовой баркас и отправлен по воле волн. Баркас Блая совершил беспрецедентный в истории героический 42-суточный переход в 3618 морских миль от островов Дружбы (ныне Королевство Тонга) до о. Тимор, Голландская ост-Индия (ныне Индонезия). В результате назад, в Англию, из 19 человек вернулось лишь 12, в том числе и Блай.
История с мятежом сделала Блая знаменитым. Уже в июне 1790 года выходит его книга «Рассказ о мятеже на Баунти». А спустя год, успев прослужить капитаном на двух небольших судах, Блай получает приказ отправиться во вторую экспедицию за хлебным деревом.
С 1791 по 1793 год руководит второй экспедицией за хлебным деревом на кораблях «Провиденс» и «Ассистант». После успешного выполнения миссии (саженцы благополучно доставлены с о. Таити на Ямайку и Сент-Винсент) Блай получает щедрое денежное вознаграждение от Комитета Плантаторов Вест-Индии и становится членом Королевского Общества (Британской академии наук).
В 1795 году он по заданию Адмиралтейства руководит переоборудованием старого торгового судна «Уорли» в боевой крейсер «Калькутта». В том же году его семью постигает горе: его единственные сыновья, новорожденные близнецы Уильям и Генри, умирают, не прожив и 24 часов.
В начале 1796 года Блай становится командиром Его Величества Судна «Директор», 64-пушечного военного корабля. 19 мая 1797 года команда «Директора» присоединяется к самой массовой забастовке в истории флота так называемому «Великому Мятежу в Норе» и отправляет капитана Блая на берег.
В начале 1796 года Блай становится командиром Его Величества Судна «Директор», 64-пушечного военного корабля. 19 мая 1797 года команда «Директора» присоединяется к самой массовой забастовке в истории флота так называемому «Великому Мятежу в Норе» и отправляет капитана Блая на берег.
После подавления мятежа Блай вновь возглавил «Директор», с которым в октябре того же 1797 года участвовал в битве с голландцами у Кампердауна. В сентябре 1800 года Блай приглашен в Дублин, где в течение трех месяцев он проводит исследование дна и обмеры глубин Дублинского залива. В 1801 году битва с датчанами у Копенгагена (54-пушечный корабль «Глаттон»), после которой Блай заслужил похвалу самого адмирала Нельсона. 1804 год отмечен тем, что Блай в качестве командира военного судна «Уорриор» предстал перед трибуналом «за тираническое и репрессивное поведение» и «оскорбительную речь» и получил выговор.
На следующий год Блай в 51-летнем возрасте был назначен губернатором провинции Новый Южный Уэльс (Австралия). 26 января 1808 года против Блая вспыхнул очередной мятеж, вошедший в историю как «ромовый бунт»: восставшие офицеры сместили Блая и заключили его под домашний арест.
Спустя два года, в 1810 году, после прибытия нового губернатора, Блай вернулся в Англию. В результате судебного разбирательства он был реабилитирован, но его активная карьера на этом завершилась. Он поселился с семьей в Лондоне.
Дважды его повышали в звании «за выслугу лет»: в 1812 году он стал контр-адмиралом, в 1814 вице-адмиралом флота. 15 апреля 1812 года в возрасте 59 лет умирает его верная жена Элизабет. Блай пережил ее на пять с половиной лет и умер от рака 7 декабря 1817 года, в 63-летнем возрасте. Похоронен рядом с супругой на кладбище церкви Сэйнт Мэри в Ламбете, Лондон (сегодня Музей Истории Садоводства).
Уильям Блай оставил после себя шестерых дочерей: Хэрриет, Мэри, Элизабет, Фрэнсис, Джейн и Энн. Именем Блая на морских картах назван один из проходов в Большом Барьерном Рифе (Австралия) и пролив к северу от о. Вити Леву в архипелаге Фиджи.
Роль Блая в кино исполняли такие артисты, как Джордж Кросс («Мятеж на Баунти», 1916), Мэйн Линтон («По следам Баунти», 1933), Чарльз Лаутон («Мятеж на Баунти», 1935), Тревор Хауард («Мятеж на Баунти», 1962) и, наконец, Энтони Хопкинс («Баунти», 1984).