Bill Paxton (de son vrai nom William Archibald Paxton), est le fils de l'acteur John Paxton, né à Fort Worth (Texas).

Il s'est intéressé au cinéma dès l'école, en tournant des films amateurs avec des amis. À l'âge de dix-huit ans, Paxton a déménagé à Los Angeles, où il a gagné sa vie pendant trois ans en garançant des voitures. Finalement, il a réussi à obtenir un poste de costumier dans la société de production de Roger Corman, New World Pictures, et en 1975, il a obtenu un petit rôle dans son film Crazy Mama, réalisé par Jonathan Demme.

Encouragé par ce succès, Paxton s'est installé à New York, où il a étudié l'art dramatique à l'université de New York sous la direction de la célèbre pédagogue Stella Adler. De retour à Los Angeles, Paxton a joué de 1981 à 1986 dans 11 rôles épisodiques, et beaucoup de ces films sont devenus célèbres - Terminator (1984), Les Rues de feu (1984), Aliens (1986), Weird Science (1985).

Au cours de cette même période, Paxton a réalisé deux courts métrages primés, dans lesquels il était à la fois scénariste, réalisateur et producteur ; il a travaillé à la télévision et a enregistré un album au sein du groupe de rock Martini Ranch, et a également épousé Louise Newbury, qu'il avait rencontrée en 1982 à Londres. À partir de 1986 (après Aliens) et tout au long des années 90, Bill Paxton a considérablement amélioré son statut d'acteur, jouant dans des rôles notables dans des films à gros budget tels que Predator 2 (1990) et Navy Seals (1990), One False Move (1992). La popularité de l'acteur a également été renforcée par le rôle principal dans Twister de Jan de Bont, des rôles dans Tombstone, True Lies et Apollo 13. Paxton est également apparu dans l'un des rôles principaux dans la sensation de 1997-1998 - Titanic de James Cameron.