С 1978 по 1980 году он был женат на Мелиссе Ли Гатлин, в браке с которой у него 28 июля 1979 года родилась дочь Аманда.

С 1986 по 1988 год Билли был женат на актрисе Тони Лоуренс.

В 1989 году на съемках фильма «Один неверный ход» Билли познакомился с актрисой Синдой Уильямс. Спустя год они поженились, но после двух лет совместной жизни брак распался.

В 1992 году Торнтон женился на модели Петре Черняк, брак с которой продлился до 1997 года. От брака с Петрой в Билли есть два сына – Гарри и Уильям.

В том же 1997 году Билли начал встречаться с актрисой Лорой Дерн, отношения с которой продлились два года.

В 1999 году на съемках фильма «Управляя полетами» Билли познакомился с актрисой Анджелиной Джоли. В мае 2000 года они поженились, но брак продлился всего 3 года. В мае 2003 года Торнтон и Джоли развелись.

24 сентября 2004 года у Билли и его подруги визажиста Конни Енгланд, с которой он начал встречаться годом ранее, родилась дочь Белла.