Bill Paxton est né et a grandi à Fort Worth, Texas, fils de Mary Lou (née Gray) et John Lane Paxton, un homme d'affaires,grossiste de bois d'oeuvre, directeur de musée et acteur, occasionnellement. Paxton fut élevé selon la religion catholique de sa mère. Il fréquenta Arlington Heights High School, à Fort Worth, Texas, et la Texas State University (plus tard appelée Southwest Texas State University), à San Marcos, Texas, puis déménagea à Los Angeles, Californie, et commença au milieu des années 70, à travailler pour le directeur Roger Corman comme décorateur de plateau. Cette exposition au monde des productions cinématographiques et des acteurs à cet age influença sa décision de poursuive dans cette voie, ce qui le fit déménager à New-York et étudier auprès de Stella Adler. C'est en travaillant pour Corman qu'il rencontre James Cameron embauché lui aussi comme décorateur chez Corman depuis une solide amitié lie les deux hommes. Bill Paxton débute devant la caméra dans le film d'action Crazy Mama signé Jonathan Demme (1975). Neuf ans et sept petits rôles plus tard, l'acteur fait une apparition courte mais remarquée dans Terminator, le temps de se faire massacrer par un Arnold-Terminator-Schwarzenegger nu comme un ver agressé par une bande de punks dont il est le chef. Quelques secondes à l'écran, mais le début d'une longue collaboration avec James Cameron, le créateur de Terminator.
Spécialisé dans les seconds rôles musclés, Bill Paxton apparaît dans
Commando en 1985, puis incarne un marine confronté aux
Aliens dans le film de James Cameron un an plus tard. En 1987, l'acteur joue le vampire moderne dans Aux frontières de l'aube réalisé par Kathryn Bigelow, une proche de l'inévitable Cameron.
Predator 2 en 1990 et Tombstone en 1993 confirment encore la propension du comédien aux rôles physiques, avant que True Lies ne l'amène une nouvelle fois au coeur de la galaxie Cameron en 1994, collaborant à nouveau avec Arnold Schwarzenegger. Un an plus tard, Bill Paxton s'envole à bord de la mission
Apollo 13 en compagnie de Tom Hanks et Kevin Bacon.
En 1996, l'acteur tient sa première véritable tête d'affiche aux côtés d'Helen Hunt dans Twister, l'un des grands vainqueurs de l'été américain. Il assied encore sa popularité un an plus tard en incarnant un explorateur de fonds sous-marins dans Titanic, réalisé par James Cameron.
Changement d'échelle en 1998 avec Un plan simple de Sam Raimi, production plus modeste mais largement saluée par la critique. Bill Paxton retrouve cependant vite les chemins du cinéma populaire avec Mon ami Joe (1999), puis
U-571 et Vertical Limit tous deux produits en 2000.
En 2002, Bill Paxton signe son premier long métrage derrière la caméra avec Emprise dont il est également l'une des deux têtes d'affiche avec Matthew McConaughey, puis participe à l'aventure de Spy Kids 2.
Depuis 2006 il incarne Bill Henrickson, un mormon vivant avec ses 3 femmes, dans la série Big Love diffusée sur HBO.
De 1974 à 1981, il travaille comme décorateur.
- 1975 : Crazy Mama - John
- 1980 : The Six O'Clock Follies (série TV)
- 1981 : Stripes - Soldat
- 1982 : Fish Heads - Personnage principal
- 1983 : Taking Tiger Mountain
- 1983 : Night Warning - Eddie
- 1983 : Deadly Lessons (téléfilm) - Eddie Fox
- 1983 : Mortuary - Paul Andrews
- 1983 : The Lords of Discipline - Gilbreath
- 1984 : Clip Shadows of the Night pour Pat Benatar - Opérateur radio
- 1984 : Les Rues de feu (Streets of Fire) - Clyde le barman
- 1984 : Impulse - Eddie
- 1984 : Terminator (The Terminator) - Chef des Punks
- 1985 : The Atlanta Child Murders (feuilleton TV) - Campbell
- 1985 : Une créature de rêve (Weird Science) - Chet Donnelly
- 1985 : Commando - Intercept Officer
- 1985 : An Early Frost (téléfilm) - Bob Maracek
- 1986 : Riding Fast - Bobo
- 1986 : Aliens le retour (Aliens) - Soldat William Hudson
- 1986 : Fresno (série TV) - Billy Joe Bobb
- 1987 : Aux frontières de l'aube (Near Dark) - Severen
- 1988 : Pass the Ammo - Jesse Wilkes
- 1989 : Slipstream - Matt Owens (au café)
- 1989 : Next of Kin - Gerald Gates
- 1990 : Back to Back - Bo Brand
- 1990 : Brain Dead - Jim Reston
- 1990 : The Last of the Finest Howard 'Hojo' - Jones
- 1990 : Navy Seals - Dane
- 1990 : Predator 2 - Jerry Lambert, policier
- 1991 : The Dark Backward - Gus
- 1992 : One False Move - Chef Dale "Hurricane" Dixon
- 1992 : The Vagrant - Graham Krakowski
- 1992 : Les pilleurs (Trespass) - Vince Gillian
- 1993 : Future Shock - Vince
- 1993 : Indian Summer - Jack Belston
- 1993 : Boxing Helena - Ray O'Malley
- 1993 : Monolith - Tucker
- 1993 : Tombstone - Morgan Earp
- 1994 : Frank and Jesse - Frank James
- 1994 : True Lies - Simon, l'amant présumé
- 1995 : Apollo 13 - Fred Haise, l'astronaute déterminé
- 1995 : L'Ultime Souper (The Last Supper) - Zachary Cody
- 1996 : Twister - Bill Harding
- 1996 : Étoile du soir (The Evening Star) - Jerry Bruckner
- 1997 : Titanic - Brock Lovett
- 1998 : Un plan simple (A Simple Plan) - Hank Mitchell
- 1998 : Mon ami Joe (Mighty Joe Young) - Gregg O'Hara
- 2000 : U-571 - Lieutenant Commandant Mike Dahlgren
- 2000 : Vertical Limit - Elliot Vaughn
- 2001 : Emprise (Frailty) - Dad Meiks, réalisateur motivé pour son premier film
- 2002 : Spy Kids 2 : Espions en Herbe (Spy Kids 2: The Island of Lost Dreams) - Dinky Winks
- 2003 : Resistance - Ted
- 2003 : Spy Kids 3 : Mission 3D - Dinky Winks
- 2004 : Club Dread - Coconut Pete
- 2004 : Thunderbirds - Jeff Tracy
- 2004 : Haven - Carl Ridley
- 2006 : Big love (série TV) - Bill Henrickson, père de famille tri-polygame et religieux
- 1982 : Fish Heads (court métrage)
- 2001 : Emprise (Frailty)
- 2005 : Un parcours de légende (The Greatest Game Ever Played)