Билли Джо Армстронг родился 17 февраля 1972 года в городе Родео, штат Калифорния, США. Его отец работал дальнобойщиком, а также подрабатывал в клубах, исполняя джаз, а мама была официанткой в одном из кафе города.

Кроме Билли Джо в семье родилось еще пятеро детей, Дэвид, Алан, Марси, Холли и Анна. Билли Джо самый младший из них.

В сентябре 1982 года умер отец Билли Джо. Спустя много лет Билли Джо написал песню «Wake Me Up When September Ends», которую посвятил отцу.

Петь Билли Джо начал в возрасте пяти лет. Он часто приходил в больницы и пел там пациентам. Тогда же учитель из начальной школы помог ему записать песню «Look For Love», которая была выпущена местной звукозаписывающей компанией «Fiat Records».

В возрасте одиннадцати лет мама подарила Билли Джо электрогитару, которую он назвал «Blue». Тогда Билли полюбил музыку, которую играли Оззи Осборн, Деф Леппард и Ван Хален. Билли Джо часто приходил в гости к школьному другу Майку Дернту, и они исполняли некоторые песни из творчества рок-звезд.

В 1987 году Билли Джо и Майк создали группу «Sweet Children». В том же году они пригласили к себе в коллектив барабанщика Джона Киффмайера и бас гитариста Шона Хаджеса и начали выступать по местным клубам.

В 1988 году Хаджес покинул группу, тогда вместо него на бас гитаре начал играть Майк Дернт.

В апреле 1989 года музыканты решили придумать новое название для группы. Из-за пристрастия ребят к марихуане группа получила название «Green Day».

Также в апреле 1989 года группа выпустила дебютный мини-альбом под названием «1,000 Hours».

В феврале 1990 года Билли Джо решил бросить старшую школу города Пинола, в которой ему оставалось учиться всего лишь полгода, ради музыкальной карьеры.

В том же 1990 году группа «Green Day» выпустила свой дебютный студийный альбом, который получил название «39/Smooth».

Также в 1990 году Билли Джо стал гитаристом еще одной панк-рок группы «Pinhead Gunpowder».

В 1992 году группа «Green Day» выпустила второй альбом под названием «Kerplunk!». В песни «Dominated Love Slave» из альбома Билли Джо кроме гитары сыграл также и на барабанах.

В 1994 году Билли Джо с группой «Pinhead Gunpowder» выпустил дебютный альбом, а с группой «Green Day» третий студийный альбом.

В 1997 году Билли Джо Армстронг вместе с профессиональным скейтбордистом Джимом Тибо основал лейбл звукозаписи «Adeline Records».

В 2003 году Билли Джо помог выпустить дебютный альбом под названием «Money Money 2020» группе «The Network».

Также в 2003 году Билли Джо лишился водительских прав на год, за вождение автомобиля в нетрезвом состоянии.

В 2004 году Билли Джо вместе с группой «Green Day» выпустил их первую рок-оперу под названием «American Idiot». Всего в мире было продано 15,000,000 копий альбома «American Idiot».

В 2009 году группа выпустила еще одну рок-оперу под названием «21st Century Breakdown».

В том же 2009 году их рок-опера «American Idiot» была поставлена на Бродвее. Мюзикл выиграл две премии «Тони». Сам Билли Джо также принимал участие в постановках.

В июле 2012 года стало известно, что Билли Джо примет участие в 3 сезоне шоу «The Voice», где станет ассистентом Кристины Агилеры.

В сентябре 2012 года появилась информация, что Билли Джо Армстронг был направлен в реабилитационную клинику для прохождения курса лечения от приступов неконтролируемого гнева и различных форм зависимостей.

В декабре 2012 года Билли Джо окончил курс лечения и вместе с группой «Green Day» начал тур, который был отменен осенью из-за его проблем.