В ноябре 1825 г. он был принят К. Ф. Рылеевым в тайное Северное общество. Во время восстания 14 декабря 1825 г. в Петербурге Кюхельбекер стрелял в великого князя Михаила Павловича, выстраивал солдат для контратаки.
После провала восстания пытался бежать за границу, но был арестован в Варшаве и приговорён к смертной казни, заменённой затем каторгой в Динабургской крепости.
С 1836 г. жил на поселении в Сибири.
Кюхельбекер стал печататься с 1815 г. В ранних стихах следовал традиции элегической поэзии В. А. Жуковского, с начала 20-х гг. XIX в. активно выступал против сентиментализма, защищая романтизм. Он написал программную статью «О направлении нашей поэзии, особенно лирической, в последнее десятилетие» (опубликована в 1824 г. в альманахе «Мнемозина», который Вильгельм Карлович издавал вместе с В. Ф. Одоевским).
В противовес «камерной лирике» Кюхельбекер создаёт тираноборческую трагедию «Аргивяне» (1822—1825 гг.), стихотворения «К Ахатесу», «К друзьям на Рейне» (оба 1821 г.) — произведения, исполненные гражданственного пафоса.
В заточении и в ссылке Кюхельбекер не изменил своим прежним идеалам (стихотворения «Элегия», 1832 г.; «На смерть Якубовича», 1846 г., и др.), хотя в его лирике усилились мотивы одиночества, обречённости («19 октября», 1838 г.; «Участь русских поэтов», 1845 г.; трагедия «Прокофий Ляпунов», 1834 г.).
Мистическая идея предопределённости трагической судьбы нашла отражение и в наиболее значительном прозаическом произведении — повести «Последний Колонна» (не окончена).
Умер в Тобольске 23 августа 1846 г.