Nació el 17 de mayo de 1955 en Texas (USA).
A los 18 años se trasladó a Los Ángeles y empezó a trabajar en la industria del cine como encargado de vestuario en películas como Una mamá sin freno (1975), de la productora New World Pictures de Roger Corman. Su primer trabajo como actor fue en una aparición no acreditada en uno de estos films titulado Tres mujeres peligrosas (1975) de Jonathan Demme. En 1975 fue director artístico en la película pornográfica Beach Blankett Bingo. Posteriormente actuó en el cortometraje The Egyptian Princess, an Unfolding Fantasy (1977). En 1980 dirigió el vídeoclip Fish Heads de Barnes and Barnes (grupo formado por los actores Robert Haimes y Bill Mummy), donde también intervino como actor, guionista y editor. Tras participar en la serie The Six o’ Clock Follies, en 1981 interpretó a un soldado en la comedia El pelotón chiflado de Ivan Reitman. Por esas fechas fue decorador en la película de ciencia-ficción de Serie B La galaxia del terror (1981).
A principios de los 80 fue secundario en Amenaza en la noche (1983), Hombres de hierro (1983), Mortuary (1983), Calles de fuego (1984) de Walter Hill e Impulso infernal (1984). Su primera película como protagonista fue el film de ciencia-ficción de bajo presupuesto Taking Tiger Mountain. En 1984 fue uno de los punkies que mueren asesinados por el T-800 (Arnold Scwarzenegger) en Terminator de James Cameron. Esta fue la primera de sus muchas colaboraciones con este realizador, que con el tiempo se convirtió en su amigo.
En 1985 interpretó a Chet Donnelly, el hermano abusón de Wyatt (Ilan Mitchell-Smith) en La mujer explosiva de John Hughes, e hizo otro papel de reparto en Comando. Un año después fue el marine Hudson en Aliens, el regreso de James Cameron. Por este papel ganó el Premio Saturn al Mejor actor secundario. En 1987 dio vida al vampiro Severen en Los viajeros de la noche de Kathyrn Bigellow.
En 1988 y 1989 protagonizó la comedia Pass the Amo y la película de Serie B Regreso a Back Ben. En la pequeña pantalla también se le pudo ver en los telefilms Un asesino en las aulas (1983) e Invierno en primavera (1985), en las miniseries Los niños de Atlanta (1985) y Fresno (1986), y como actor invitado en Corrupción en Miami, El autoestopista e Historias de la cripta. Sus trabajos en el campo del videoclip prosiguieron como actor en Shadows of the Night (1982) de Pat Benetar y Touched by My Hand of God (1987) de New Order. Entre los años 80 hizo sus pinitos musicales como líder de la banda de new wave Martini Ranch, y hasta James Cameron fue director del vídeoclip Reach (1988). En 1990 encarnó al policía Jerry Lambert en Depredador 2.
Otros de sus trabajos de reparto los realizó en películas como La furia del viento (1988), Con su propia ley (1989), Código azul (1990), Navy Seals (1991), Marty el chepa (1992), Mi obsesión por Helena (1993) y La última cena (1995). También protagonizó los films Psicosis mortal (1992), así como dos thrillers dirigidos por Carl Franklin: Un paso en falso (1992) y El tiempo de los intrusos (1993). En 1993 actuó en el drama Cuando llega el otoño e interpretó a Morgan Earp en el western Tombstone.
En 1994 fue Simon, el hombre que intenta ligar con Helen Tasker (Jamie Lee Curtis), para ira de Harry Tasker (Arnold Schwarzenegger), en Mentiras arriesgadas de James Cameron. En 1995 se puso en la piel del astronauta Fred Haise en Apolo 13 de Ron Howard, y participó en el western Frank & Jesse. En 1996 protagonizó la taquillera Twister de Jan De Bont, donde interpretó al experto en tornados Bill Harding. Acto seguido secundó a Shirley McLaine en La fuerza del cariño 2 de James L. Brooks. En 1997 encarnó al explorador submarino Brock Lovett en la exitosa Titanic (1997) de James Cameron. Ese mismo año produjo y actuó en la película Traveller. En 1998 fue el protagonista del telefilm Mentiras de guerra (por el que fue nominado al Globo de oro como Mejor actor de miniserie o telefilm) y del thriller Un plan sencillo de Sam Raimi.
Sus siguientes films fueron Mi gran amigo Joe (1998), U-571 (2000) y Límite vertical (2000). En 2001 dirigió y protagonizó el thriller Escalofrío. Poco tiempo más tarde Robert Rodriguez lo eligió para el papel de Dinky Winks en Spy Kids 2: La isla de los sueños perdidos (2002) y Spy Kids 3-D: Game Over (2003). En 2003 protagonizó Resistencia. En 2004 fue Jeff Tracy en la adaptación cinematográfica de Thunderbirds. También llevó a cabo papeles secundarios en la comedia Club Desmadre (2004) y en el thriller Haven (2004). En 2005 dirigió la película Juego de honor. Sus otros trabajos detrás de las cámaras fueron el cortometraje Tatoo (2011), que dirigió y escribió, y la película Parkland (2013), que produjo.
Entre 2006 y 2011 protagonizó la serie de cinco temporadas Big Love en la cadena HBO. En ella interpretó a Bill Henrickson, un hombre mormón que practica la poligamia al estar casado con Barb (Jeanne Tripplehorn), Nicolette Grant (Chlöe Sevigny) y Margene Heffman (Ginnifer Goodwin). Por su interpretación fue nominado al Globo de oro como Mejor actor de serie dramática en 2007, 20008 y 2010.
En 2012 coincidió con Kevin Costner la miniserie del oeste Hatfields & McCoys, por la que fue nominado al Emmy como Mejor actor de miniserie o telefilm. En fechas recientes interpretó nuevos papel de reparto en las películas Indomable (2011) de Steven Soderbergh, Colonia V (2013), 2 Guns (2013), El chico del millón de dólares (2014), Al filo del mañana (2014) de Doug Liman, Nightcrawler (2014), Tiempo límite (2016) y Mean Dreams (2016). En 2014 encarnó al personaje recurrente de John Garrett en la primera temporada de la serie de Marvel Agentes de SHIELD. En 2015 fue Sam Houston en la miniserie histórica Texas Rising , y prestó su voz al videojuego Call of Duty: Advanced Warfare – Exo Zombies. A principios de 2017 estrenó la serie Training Day, adaptación de la película de mismo nombre, de la que actualmente se emite la primera temporada. Su papel es del veterano y corrupto detective de policía Frank Rourke.
En lo personal, estuvo casado en dos ocasiones: Su primera esposa fue Kelly Rowan. Desde 1987 y hasta su fallecimiento estuvo unido a Louise Newbury, madre de sus dos hijos James (actor, director artístico y músico) y Lydia.
Bill Paxton falleció el 26 de febrero de 2017, a la edad de 61 años y a consecuencia de complicaciones durante una operación. En 2017 se estrenará su trabajo póstumo en la película The Circle.
