Zusammen mit seinem bereits 1979 verstorbenen Bruder Rudi gewann Willi Pensel bei Radball-Weltmeisterschaften in den Fünfzigerjahren viermal die Silbermedaille, ehe das Duo 1955 in Mailand den Titel holte. Nach erneutem Silber 1956 gewannen sie 1957 in Lüttich ihre zweite Goldmedaille. Insgesamt achtmal wurden sie Deutscher Meister.

Nach dem ersten Titelgewinn wurden die Gebrüder Pensel in ihrer Heimatstadt Kulmbach gebührend empfangen. Den Autokorso durch die Straßen ihrer Heimat begleiteten fast 20.000 begeisterte Menschen.

Nach seiner Laufbahn war er viele Jahre Landesfachwart für Radball und Radpolo in Bayern und führte zahlreiche Nachwuchslehrgänge in der Sportschule Grünwald durch. Seinen Lebensabend verbrachte der ehemalige Radballer im Haus seines Sohnes Frank, der als Mannschaftsarzt die deutschen Hallenradsportler seit mehr als 20 Jahren betreut.