Nascut in Hot Springs pe 4 august 1955, Billy Bob Thornoton a crescut in orasul Alpine. Familia sa a fost nevoita sa locuiasca intr-o casa fara electricitate. Si-a facut cativa prieteni insa, unul dintre acestia fiind Tom Epperson, pe care mai tarziu avea sa-l ia ca partener pentru scenarii.
Dupa ce a absolvit liceul, Billy Bob Thornoton s-a angajat si s-a casatorit. Dupa doi ani insa a divortat si s-a intors la colegiu pentru a-si continua studiile in psihologie.
Vedeta a debutat in filmul Hunter's Blood (1987). Au urmat roluri in filme mici, cum ar fi Zombietown, si apoi aparitia in sitcomul Evening Shade. Dupa acestea a aparut in filmul de debut al lui Carl Franklin - One False Move. In 1995 a aparut in Dead Man, si in 1996 a scris impreuna cu Epperson scenariul la filmul A Family Thing, ce i-a avut in distributie pe James Earl Jones si Robert Duvall.
Succesul din 1996 al filmului Sling Blade l-a consacrat pe Billy Bob Thornoton ca un important scenarist si actor la Hollywood. Au urmat aparitii in filme ca The Apostle, U-Turn in 1997, si roluri mult mai important in Primary Colors si Armageddon. In 1998 a fost nominalizat la Oscar pentru cel mai bun actor pentru interpretarea din filmul A Simple Plan. Anul urmator a aparut in comedia lui Mike Newell, Pushing Tin.
A fost regizor, scenarist si actor la filmul Daddy and Them, o comedie despre o familie din Alabama. In anul 2000 a mai aparut in filme ca Wakin' in Reno si South of Heaven, West of Hell. Pentru filmul The Man Who Wasn't There, al fratilor Coen, a mai primit o nominalizare la Globul de Aur. 2003 a fost un an agitat pentru Billy Bob Thornoton mai ales pe plan personal, mult mediatizatul mariaj cu actrita Angelina Jolie sfarsindu-se in luna mai.
Actorul a fost recompensat cu o stea pentru filmele sale, amplasată în partea de nord, aria 6800, pe Bulevardul Walk of Fame din Hollywood.
