Билли Боб Торнтон родился 4 августа 1955 года в американском городе Хот-Спрингс. Имеет ирландские, индейские и итальянские корни. В семье Билли был одним из четырех мальчиков. В школе мечтал о музыкальной карьере, играл на барабанах в группе «Stone Cold fever».

В последующем начал карьеру певца в группе «Tres Hombres», которая, выпустив несколько альбомов, распалась.

В кино Билли Боб Торнтон дебютировал в 1986 году в картине Роберта Хьюза «Кровь охотника».

В том же 1986 году принимал участие в съемках фильма «Человек, который разорвал тысячу цепей» (1987), но в процессе создания фильма сцену с ним вырезали.

В 1988 году появился в двух независимых картинах «К югу от Рино» и «Цирк», а в 1989 году вместе с Адамом Сэндлером появился в комедии «Всех за борт».

В 1992 году Билли получил одну из главных ролей в фильме «Один неверный ход», сценарий к которому сам же и написал.

В том же году он появился в фильме «Впереди одни неприятности», главные роли в котором исполнили Майкл Мэдсен и Патриция Аркетт.

В 1993 году Билли вместе с Робертом Редфордом, Деми Мур и Вуди Харрельсоном появился в драме «Непристойное предложение». Также в 1993 году с его участием вышло еще три картины – «За кровь платят кровью», «Ящик смерти» и «Тумстоун: Легенда дикого запада».

В 1994 году Торнтон появился в картине Стивена Сигала «В смертельной опасности», в которой помимо самого Сигала и Торнтона снялись также Майкл Кейн и Джоан Чэнь.

В 1995 году Билли вошел в актерский состав фильма Джима Джармуша «Мертвец», главную роль в котором сыграл Джонни Депп.

В том же 1995 году актер исполнил главную роль маньяка Карла Чайлдерса в своем собственном фильме «Отточенное лезвие», к которому он также написал сценарий. За эту роль Торнтон получил премии «Оскар» и награду Гильдии Писателей Америки.

В 1996 году он появился в криминальном триллере «Победитель», а в 1997 году – в «Повороте» с Шоном Пенном в главной роли.

В 1998 году получил роль Ричарда Джеммонса в фильме «Основные цвета», где его партнерами по съемочной площадке были Джон Траволта, Эмма Томпсон и Кэти Бейтс.

В том же году снялся в фантастическом фильме Майкла Бэя «Армагеддон», а также исполнил роль одного из братьев, присвоивших чужие 4 млн долларов, в триллере Сэма Рэйми «Простой план».

В 1999 году Билли вместе с Джоном Кьюсаком снялся в драме «Управляя полетами», а в 2000 году Торнтон появился в картинах «Падение с горы» и «К югу от рая, к западу от ада».

В 2001 году Билли Боб Торнтон выступил режиссером и сценаристом фильма «Папаша и другие», в котором также исполнил главную роль. В том же году он исполнил главную роль в фильме Джоэла и Итана Коэнов «Человек, которого не было», вместе с Брюсом Уиллисом и Кейт Бланшетт снялся в криминальной драме «Бандиты», а также появился в главных ролях в фильмах «Бал монстров» и «Проснувшись в Рино».

В 2002 году Билли исполнил главного персонажа в фильме Эд Соломона «Раскаяние».

В 2003 году его фильмография актера пополнилась ролями в таких картинах как «Невыносимая жестокость», «Реальная любовь» и «Плохой Санта», а в 2004 году – картинами «Кристал», «Форт Аламо» и «В лучах славы».

В том же 2004 году Торнтон был удостоен звезды на Аллее Славы в Голливуде.

В 2005 году Билли сыграл главные роли в комедии «Несносные медведи» и триллере «Ледяной урожай», а в 2006 году ему достались роли в фильмах «Астронавт Фармер» и «Школа негодяев».

В 2007 году Торнтон появился в роли школьного тренера-садиста в комедии «Мистер Простофиля», где вместе с ним снялись Шонн Уильям Скотт и Сьюзен Сарандон.

В 2008 году с его участием вышли фильмы «На крючке» и «Информаторы». В последнем компанию Билли на съемочной площадке составили Джон Фостер, Микки Рурк и Ким Бейсингер.

В 2009 году Торнтон сыграл роль менеджера по продажам из косметического бизнеса Патрика Фитцпатрика в комедии «Запах успеха».

В 2010 году он появился в фильме «Быстрее пули», главную роль в котором сыграл Дуэйн Джонсон.

В 2012 году Билли снял картину «Машина Джейн Мэнсфилд», где также сыграл одну из ролей первого плана. В том же году ему досталась главная роль в фильме «Бэйтаун вне закона», где вместе с ним снялась Ева Лонгория.

В 2013 году с участием Торнтона вышло два триллера – «Парклэнд» и «Гризли».

В 2014 году Билли вместе с Мартином Фрименом получил главную роль в сериале «Фарго», а вместе с Робертом Дауни младшим – в драме «Судья».

В том же 2014 году закончились съемки триллера «Лондонские поля» (2015), где помимо Билли также получили роли Тео Джеймс, Джонни Депп, Эмбер Херд и Джейми Александер.

Помимо успешной актерской деятельности Билли Боб Торнтон известен также как горячий поклонник кантри — он активно выступает, пользуясь у публики огромным успехом. Выпустил четыре сольных альбома - «Private Radio» (2001), «Edge of the world» (2003), «Hobo» (2005) и «Beautiful Door» (2007).

Является большим поклонником европейского футбола, болея за клуб «Ливерпуль». Любимым модный аксессуаром Торнтона является ковбойская шляпа «Хьюстон Кольт», в которой он старается по возможности сниматься в своих фильмах.

У актера на теле 6 татуировок. В его родном городе по распоряжению мэра один из дней в году объявлен днем Билли Боба Торнтона.