Après des premiers pas dans le monde du cinéma en tant que décorateur de plateaux du coté des productions Roger Corman au milieu des années 70, 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-Teminator-Schwarzenegger nu comme un vers agressé par une bande de punk 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 le retour 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 cotés d'Helen Hunt dans Twister, l'un des grands vainqueurs de l'été américain. Il assoit 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, 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.
En 2011, il fait son grand retour dans les salles de cinéma avec Piégée, le film au casting imposant (Michael Fassbender, Ewan McGregor, Antonio Banderas et Michael Douglas) de Steven Soderbergh.
