Après avoir obtenu en 1978 son master en sciences criminelles à l'Université de Brockport dans l'État de New York, William Fichtner décide d'étudier la comédie à l'Académie d'Art dramatique de New York. Il débute sa carrière en tant que Josh Snyder dans As the World Turns en 1987. Il fut également crédité du pseudonyme de Bill Fichtner (notamment au générique des voix des deux épisodes du jeu vidéo Grand Theft Auto sur Playstation 2) mais s'imposa au cinéma sous son patronyme de William Fichtner.
Il participe au cours de sa carrière à de grosses productions hollywoodiennes, telles que Strange Days,
Contact,
Armageddon,
Pearl Harbor, et En pleine tempête. Toutefois, il ne néglige pas les projets artistiquement plus ambitieux, sous la direction de cinéastes-auteurs : Michael Mann (
Heat), Steven Soderbergh (À fleur de peau), Ridley Scott (La Chute du faucon noir) ou Paul Haggis (
Collision).
Si Fichtner est habitué aux seconds rôles qui marquent profondément l'imaginaire des spectateurs, il doit sa popularité internationale aux séries Invasion où il interprète le rôle du Shériff Tom Underlay ainsi que Prison Break qu'il rejoint en 2006 et dans laquelle il interprète l'agent du FBI Alexander Mahone.
En 2007, il est à l'affiche des
Rois du patin et tient un petit rôle dans The Dark Knight de Christopher Nolan.