Issu d'une famille de huit enfants, Willem Dafoe débute au théâtre à l'âge de vingt ans dans une troupe expérimentale du Milwaukee. Ils partent tous pour New York, où Dafoe rencontre sa femme Elizabeth LeCompte. Ensemble ils créent la compagnie théatrâle Wooster Group, avec laquelle il continue de jouer tout au long de sa carrière cinématographique.Il débute au cinéma en 1980 dans un film de Michael Cimino, Les Portes du paradis. Son physique émacié et troublant l'amène à jouer des rôles de méchants : un vampire dans Les Prédateurs de Tony Scott; un trafiquant de fausse monnaie dans Police féderale Los Angeles de William Friedkin, etc.En 1986, il change de registre en incarnant le sergent Elias dans Platoon d'Oliver Stone. Même s'il ne gagne pas l'Oscar du meilleur second rôle, pour lequel il est nominé, il acquiert une certaine notoriété vis à vis du public et d'Hollywood. Cela lui permet d'obtenir des rôles plus variés et plus conséquents tels qu'un agent du FBI dans Mississippi burning ou un vétéran du Vietnam dans Né un 4 juillet pour lequel il retrouve Oliver Stone.Martin Scorsese lui confie un rôle difficile, celui de Jésus dans le controversé La Dernière tentation du Christ.Dans les années 1990, il continue à faire parler de lui, notamment en jouant aux côtés de Madonna dans le sulfureux Body d'Ulrich Edel. Puis il apparaît dans des films préstigieux tels que Sailor et Lula de David Lynch, eXistenZ de David Cronenberg ou encore dans Le Patient anglais d'Anthony Minghella.En 2000, il interprète Max Schreck, célèbre pour son rôle de Nosferatu, dans L' Ombre du vampire d'E Elias Merhige. Grâce à ce film , il est une nouvelle fois nominé à L'oscar du meilleur second rôle. Il continue de prêter ses traits à des personnages machiavéliques comme dans Spider-Man en 2002, dans lequel il incarne le bouffon vert, et dans XXX 2 en 2004.Il joue ensuite dans la comédie de Wes Anderson, La Vie aquatique et dans la suite de Dogville de Lars von Trier, Manderlay. Pour la première fois en 2005, il joue, mais est également scénariste, sur le film de Giada Colagrande, The Widow's lover.
Il apparaît ensuite chez Martin Scorsese dans Aviator puis chez Spike Lee dans Inside man - l'homme de l'intérieur, dans lequel il campe un capitaine de la brigade d'intervention new-yorkaise; avant de retourner au registre comique en jouant le vice-Président d'American dreamz.
De plus en plus éclectique dans ses choix, Willem Dafoe passe ensuite de la comédie (Les Vacances de Mr. Bean) au fantastique (Le Cirque de l'étrange), tout en faisant un détour par l'univers de Lars von Trier grâce à Antichrist, où il donne la réplique à Charlotte Gainsbourg. Cette grande diversité dans ses choix artistiques se confirme en 2010, l'acteur étant à l'affiche d'un film de science fiction vampirique (Daybreakers), d'un film d'animation (Fantastic Mr. Fox) et d'un drame racontant l'histoire d'une jeune palestinienne placée dans un orphelinat après le suicide de sa mère (Miral, réalisé par Julian Schnabel, à qui l'on doit Le Scaphandre et le papillon).
Prolifique, le comédien touche autant aux films intimistes (4h44 Dernier jour sur terre, The Grand Budapest Hotel, Pasolini) qu'aux productions destinées à un public plus large (John Carter, Bad Country, John Wick). En 2014, il est choisi pour faire partie du jury du Festival de Cannes.
