Après des études de droit au milieu des années 20, Billy Wilder débute comme journaliste à Vienne et trouve très vite sa voie dans l'écriture. Il devient scénariste pour la UFA et ouvre sa carrière par Les Hommes le dimanche de Robert Siodmak (1930). Le succès est immédiat et Wilder multiplie les collaborations. La montée d'Hitler au pouvoir le contraint à l'exil dès 1933. Il fait une halte en France, le temps pour lui de s'essayer à la mise en scène (Mauvaise graine), et s'expatrie aux Etats-Unis.
Ne parlant pas un mot d'anglais à son arrivée, il s'adapte, apprend la langue et reprend la plume, cette fois en anglais. Se contentant de traduire, ou de faire traduire, les scripts qu'il avait écrits en Europe, Wilder ronge son frein. Sa rencontre avec Charles Brackett s'avère déterminante. Le duo de scénaristes-dialoguistes délivre quelques joyaux de la comédie, pour Ernst Lubitsch (La Huitieme Femme de Barbe-Bleue, Ninotchka) ou encore Howard Hawks (Boule de feu, et son remake Si bemol et fa diese).
Sous contrat avec la Paramount, il reprend sa place derrière la caméra. Il impose dès son troisième film américain un univers personnel. Adapté de James M. Cain, Assurance sur la mort (1944) est un modèle de film noir. Il creuse cette veine sombre avec sa réalisation suivante, Le Poison (1945), où il aborde sans fard le thème de l'alcoolisme. Sous les yeux du spectateur, le héros (Ray Milland, oscarisé pour le rôle) sombre dans la déchéance. Le film vaut à Wilder le premier des six Oscars qu'il décrochera dans sa carrière. A l'avenir, Wilder ne fera plus montre d'une telle noirceur, mais ne se départira jamais pour autant d'une tonalité sombre, même dans ses comédies les plus débridées.
Son écriture ciselée, à laquelle Brackett et plus tard I.A.L Diamond ne sont pas étrangers, brille dans tous les genres, de la fable sociale (Le Gouffre aux chimères, son film préféré), politique (Un, deux, trois) au film policier (Temoin a charge). Mais le genre de prédilection de Wilder reste la comédie. Epaulé de quelques-uns de ses acteurs favoris, Walter Matthau, Jack Lemmon, William Holden ou encore Shirley McLaine, il passe maître dans l'art de la réplique qui fait mouche (La Garçonnière, La Grande combine) ou le cynisme (Stalag 17) le dispute à la loufoquerie (Certains l'aiment chaud, Sept ans de reflexion).
La filmographie du cinéaste ménage une place importante à la nostalgie. Les chroniques douces-amères y abondent, qu'elles prennent pour cadre Hollywood (Boulevard du crépuscule en 1949, Fedora en 1978) ou qu'elles mettent en scène un personnage romanesque (La Vie privée de Sherlock Holmes en 1970). Après avoir mis en scène vingt-six longs métrages et rédigé plus de soixante-dix scénarios, Billy Wilder prend sa retraite en 1981, à l'âge de soixante-quinze ans.
Jusqu'à sa mort, il continue de recevoir les plus grands hommages du monde du septième art, dont un Ours d'or d'honneur à la Berlinale (1993).
