1955'te Hot Springs, Arkansas'ta dünyaya gelen Thornton'ın babası William Raymond lise tarih öğretmeni, annesi Virginia ise medyumdu. Jimmy Don (1958–1988) ve John David adlı iki erkek kardeşi vardı. Gençliğinde beyzbol oynayan, hatta profesyonel takımlar için seçmelere katılan Thornton, bir süre Arkansas'ta yol işçisi olarak çalıştı. Sonra Henderson State Üniversitesi'nde 2 dönem psikoloji okudu, ama okulu bıraktı. 80'li yılların başında aktör olma umuduyla Los Angeles'a taşındı. Ancak oyunculuk denemeleri başlangıçta olumlu sonuçlanmadı, bu nedenle garsonluk, pazarlamacılık gibi işler yaptı.
80'li yılların ortasından itibaren küçük roller bulmaya başladı. İlk önemli çıkışını, aynı zamanda senaryosunu da yazdığı 1992 yapımı One False Move filmiyle yaptı. Oyunculuğunun yanında senarist kimliğini de ön plana çıkarması, onun daha fazla kişi tarafından farkedilmesini sağladı. 1996'da yazıp yönettiği, ayrıca başrolde oynadığı Sling Blade filmiyle şöhrete kavuştu. Film En İyi Senaryo Oscarı'nı kazanırken Thornton da En İyi Erkek Oyuncu dalında adaylık kazandı. 1998'de Sam Raimi'nin A Simple Plan filmindeki performansı da çok beğenildi. Daha sonra Armageddon, All the Pretty Horses, Bandits ve The Man Who Wasn't There gibi takdir toplayan filmlerde arka arkaya oynadı. 2014'te ilk kez TV'de bir çalışmaya imza attı, Fargo dizisindeki Lorne Malvo karakteriyle ödüller kazandı.
Özel hayatı çalkantılarla anılan Billy Bob Thornton 5 kez evlenip boşandı. İlk evliliğini Melissa Lee Gatlin ile (1978–1980) yapan aktörün Amanda adlı bir kız çocuğu oldu. Daha sonra ikinci evliliğini aktris Toni Lawrence ile (1986-1988), üçüncü evliliğini yine aktris Cynda Williams ile (1990-1992) ile gerçekleştirdi. 1993'te model Pietra Dawn Cherniak ile evlenen oyuncunun Harry James ve William adında iki erkek çocuğu doğdu. 1997'de Cherniak'tan ayrıldıktan sonra Laura Dern ile nişanlanan, ancak beklenmedik bir kararla Dern'den ayrılan Thornton, 2000 yılında yıldız oyuncu Angelina Jolie ile evlendi. Evlilikleri süresince magazin basınının gündeminden düşmeyen ikili, 2003'te boşandı. 2003'ten bu yana makyöz Connie Angland ile birlikte olan Thorton'ın bu birliktelikten Bella adında bir kız çocuğu bulunmaktadır.
Müzikle de haşır neşir olan usta oyuncunun 4 adet stüdyo albümü vardır, ayrıca bir çok cover grubunda da solist olarak çalışmış, şarkı sözleri yazmıştır.