Nato a Hot Springs, nell'Arkansas, il 4 agosto del 1955, Billy Bob Thornton mostra una certa propensione per la vita da artista, come testimonia il suo talento nel suonare la batteria ai tempi del liceo, ma anche le sue sregolatezze e gli eccessi. Dopo la prematura conclusione di una carriera nel mondo del basket a causa di un incidente, e dopo avere svolto alcuni lavoretti di fortuna e aver abbandonato il corso di laurea in psicologia, nel 1981 si trasferisce con il suo amico d'infanzia, il futuro scrittore Tom Epperson, a Los Angeles per provare a entrare nel mondo del cinema in qualità di attore o sceneggiatore; senza trascurare però il campo della musica in qualità di batterista per il gruppo "Tres Hombres".
Grazie al lavoro di cameriere a Hollywood ha la possibilità di conoscere alcuni mostri sacri come Billy Wilder, e riesce a ottenere qualche particina prevalentemente in telefilm come Matlock, Evening Shade e The Outsider. Al cinema si fa strada pian piano con qualche piccola apparizione (soprattutto in ruoli da "brutto ceffo") in titoli come la commedia Proposta indecente, l'action con Steven Seagal Sfida tra i ghiacci, i western Tombstone e Dead Man di Jim Jarmusch, e il dramma Nel Texas cadevano le stelle.
Finalmente nel 1992 una sua sceneggiatura viene acquistata: si tratta di Qualcuno sta per morire, diretto da Carl Franklin. Nel 1996 Billy esordisce anche dietro la macchina da presa con il cupo e violento dramma Lama Tagliente, dove recita assieme a Robert Duvall, per il quale ottiene la nomination all'Oscar come miglior attore protagonista e soprattutto vince la statuetta per la miglior sceneggiatura.
Da questo momento in poi l'attore riesce a partecipare a produzioni di rilievo, come il road movie di Oliver Stone U Turn - Inversione di marcia, insieme a Sean Penn e Jennifer Lopez, la satira politica di Mike Nichols Il colore della vittoria, il blockbuster di Michael Bay Armageddon - Giudizio finale, mentre l'amico Robert Duvall lo vuole nel suo film da regista L'apostolo.
Nel 1999 consegue un'altra nomination come miglior attore non protagonista per il serrato thriller di Sam Raimi Soldi Sporchi, mentre nello stesso anno è nel cast dell'insolito dramma Falso Tracciato, dove conosce Angelina Jolie che sposa poi l'anno successivo (per lui si tratta del quinto matrimonio, rispettivamente dopo quelli con Melissa Lee Gatlin, le attrici Toni Lawrence e Cynda Williams, e la coniglietta di Playboy Pietra Dawn Cherniak).
Per Billy la consacrazione definitiva arriva nel 2001 grazie ai fratelli Coen, che scelgono il suo volto ruvido e scabro per impersonare il taciturno protagonista del plumbeo e stilizzato noir L'uomo che non c'era, cui segue la commedia thriller Bandits di Barry Levinson, dove è un rapinatore in coppia con Bruce Willis, che gli valgono entrambi due nuove candidature agli Oscar. Sempre nel 2001 compare nel premiato dramma carcerario Monster's Ball - L'ombra della vita e ritorna dietro la macchina da presa, questa volta per la commedia familiare Daddy and Them, nel quale divide il set insieme a Laura Dern (sua ex fiamma) e Jamie Lee Curtis.
Dopo aver lasciato Angelina Jolie, futura consorte di Brad Pitt (ma l'attore si è in seguito consolato con la nuova compagna Connie Angland), torna sotto la regia dei Coen per il brillante Prima ti sposo poi ti rovino e si cimenta in un'altra performance irriverente nella commedia anticonformista Babbo bastardo, che gli vale l'ennesima candidatura ai Golden Globe. Nel romantico Love Actually - L'amore davvero impersona nientemeno che il Presidente degli Stati Uniti, mentre si converte al genere sportivo con il dramma Friday Night Lights e con il remake della commedia di successo Bad News Bears - Che botte se incontri gli Orsi, dove è uno svogliato e irascibile allenatore di una squadra giovanile di baseball.
Torna al western con Alamo - Gli ultimi eroi, e in seguito alle atmosfere da dark comedy con The Ice Harvest di Harold Ramis, passando poi dalla commedia Scuola per canaglie di Todd Phillips. Si trasforma in un rancher texano desideroso di andare nello spazio in The Astronaut Farmer, per poi cimentarsi in un'altra interpretazione grottesca nelle vesti del dispotico insegnante di educazione fisica Mr. Woodcock, cui seguono due thriller, il corale ed eccentrico The Informers - Vite oltre il limite, e il fantascientifico Eagle Eye, al fianco di Shia LaBeouf. È un venditore sui generis nel satirico The Smell of Success e impersona un caricaturale detective corrotto nell'ipercinetico action Faster con protagonista The Rock; ma è pronto a cimentarsi in una nuova avventura doppiando il film d'animazione Dreamworks Puss in Boots.
1999 Candidatura Miglior attore non protagonista per Soldi sporchi
1997 Premio Miglior sceneggiatura non originale per Lama tagliente
1997 Candidatura Miglior attore protagonista per Lama tagliente
2017 Premio Miglior attore (Serie TV - Dramma) per Goliath
2015 Premio Miglior attore (Miniserie o film per la tv) per Fargo
2004 Candidatura Miglior attore protagonista (commedia o musical) per Babbo Bastardo
2002 Candidatura Migliore attore protagonista (commedia o musical) per Bandits
2002 Candidatura Migliore attore protagonista (dramma) per L'uomo che non c'era
1999 Candidatura Miglior attore non protagonista per Soldi sporchi
2015 Candidatura Migliore Attore in una serie tv drammatica per Fargo
2022 Recitazione
2016 Recitazione
2016 Recitazione
2014 Recitazione
Un nuovo tassello si aggiunge al già ampio mosaico che compone le storie create da Taylor Sheridan
Robin Wright e Billy Bob Thornton reciteranno insieme al figlio dell'attrice, Hopper Penn, nel cupo dramma Where All Light Tends to Go, ambientato sugli Appalachi tra violenza, spaccio e sopraffazione.
Svelata la prima immagine della serie Amazon Original con il Premio Oscar e vincitore di un Golden Globe Billy Bob Thornton, l'ultima stagione di Goliath debutterà su Amazon Prime Video il 24 settembre.
L'attore Billy Bob Thornton è il protagonista di Goliath 3, la terza stagione della serie che ritornerà prossimamente su Amazon.
Il nuovo caso dell'avvocato Billy McBride affronta narcotraffico, corruzione e violenza con una buona intensità e qualche passo falso.