او به یک دلیل اصلی برای «ماموریت در ایران» انتخاب شد: او دیپلماتی بود که در کشورهایی با حکومت‌های متمرکز و استبدادی تجربه کافی داشت و می‌توانست با یک زمامدار مقتدر و خودکامه کار کند.
بیستم فروردین 1356، ویلیام سولیوان به عنوان سفیر امریکا در ایران تعیین شد. او آخرین سفیر این کشور در تهران بود.
مارتر، رییس‌جمهور وقت امریکا در ملاقاتش با سولیوان پیش از اعزام به ایران به او می‌گوید: «همکاری‌های اطلاعاتی ما با ایران، به خصوص با امکاناتی که برای نصب دستگاه‌های خبرگیری از شوروی در اختیار امریکا قرار داده شده بسیار مهم و باارزش است. البته در زمینه حقوق بشر مسائلی وجود دارد که ضمن ملاقات‌هایی با شاه ایران سعی کنید او را قانع کنید که سیاست کلی حکومت خود را در این زمینه تعدیل کند.»
فشارهای کارتر و سولیوان به شاه در جریان انقلاب ایران، بر کاهش فشار حکومت به انقلابیون بی‌تاثیر نبود.
ویلیام سولیوان دیپلماتی بود که به قول خودش نه اطلاعات دقیقی نسبت به ایران داشت و نه مایل به پذیرفتن این ماموریت بود. در طول ماموریت دیپلماتیک سولیوان در تهران نظام شاهنشاهی بر اثر انقلاب اسلامی ایران فروریخت و محمد‌رضا پهلوی به تصور آنکه امریکایی‌ها تعمدا از وی در برابر موج انقلاب حمایت نکردند، بیش از پیش به سیاست‌های دموکرات‌ها در واشنگتن و نقش سفیر آنها در تهران بدبین شد. در عین حال سولیوان نیز خود در برابر امواج انقلاب به بیهوده بودن تلاش برای حفظ رژیم پهلوی معتقد شده بود و سقوط شاه را غیرقابل اجتناب می‌دانست.
با اوج‌گیری تظاهرات و اعتراضات مردمی در ایران، علاوه بر اینکه رژیم در این زمینه تدابیر امنیتی شدیدی را به کار می‌گرفت، مقامات امریکایی هم در فکر مهار این قیام بودند، از جمله اینکه سالیوان در گفت‌وگو با سیاستمداران امریکایی، از سفارش ایران برای گاز اشک آور طرفداری کرده و استدلال کرد که اگر از دیدگاه حقوق بشر مطرح شود، مخالفت با گاز اشک آور به ایران بی‌معنی است اما استعمال گاز اشک آور کمترین کاری است که می‌توان برای مقابله با اغتشاش انجام داد.
با وخیم‌تر شدن اوضاع، سفیر امریکا در ایران همراه با اعضای سفارت امریکا برای اطلاع از جریان وقایع و حفظ امنیت امریکایی‌هایی که در قسمت‌های مختلف فعالیت داشتند یک اتاق کنترل و یک شبکه اطلاعاتی در سطح تهران به وجود آوردند. این تدبیر برای حفظ جان امریکایی‌ها در صورت بروز خطر اندیشیده شده بود.
ماموریت سولیوان با تسخیر سفارت امریکا در آبان ۱۳۵۸ و ماجرای گروگانگیری کارکنان آن پایان یافت. در جریان گروگانگیری، سولیوان در تهران نبود. او پیش از وقوع این رویداد به واشنگتن رفته بود. سولیوان بعدها در کتاب «ماموریت در ایران» خاطراتش از حضور در ایران را نوشت. او سال 1391 در 91 سالگی درگذشت.
