Mit 18 Jahren zog es ihn in die Großstadt – in Los Angeles fand er Arbeit und bereitete sich auf eine Laufbahn als Schauspieler vor. Schließlich studierte er jedoch im Studio of Acting in New York unter der Leitung der erfahrenen Schauspielerin Stella Adler und erhielt schon während dieser Zeit kleinere Rollen, mit denen er Erfahrungen vor der Kamera sammelte.

Zusätzlich begann Bill Paxton eigene Kurzfilme zu produzieren und Drehbücher zu schreiben. Durch seine Nebenrolle im Science-Fiction-Film ‚Terminator‘ von Regisseur James Cameron konnte er sich auch in den nächsten Jahren einige Rollen in Camerons Filmen sichern und seinen Bekanntheitsgrad erhöhen. Bekannt wurde er unter anderem durch Filmaufritte in ‚True Lies – Wahre Lügen‘ (1994), ‚Apollo 13‘ (1995), ‚Twister‘ (1996) und der Erfolgsverfilmung ‚Titanic‘ (1997). Im Jahr 1997 erschien Bill Paxtons erste eigene Filmproduktion ‚Traveller‘, an der er gemeinsam mit Mark Wahlberg gearbeitet hatte. Er ist nicht nur ein begabter Schauspieler, sondern zudem auch Regisseur mehrerer eigener Filme wie ‚Das größte Spiel seines Lebens‘ mit Shia LaBeouf.

Paxton war für kurze Zeit mit Kelly Rowan verheiratet (1979/1980) und nahm einige Jahre später, 1987, Louise Newbury zur Frau.