S herectvím Bill Paxton začal v 70. letech 20. století. Ve filmu debutoval v roce 1981 ve snímku Stripes. Zajímavostí je, že byl hercem se zvláštním hattrickem: zabili jej ve filmech Terminátor, Vetřeleci a Predátor.
Průlomová role Billa Paxtona přišla s filmem Vetřelci režiséra Jamese Camerona z roku 1986, kde ztvárnil postavu vojína Hudsona. Hrál i v dalších Cameronových filmech, např. Terminátor a Pravdivé lži.
V 90. letech se Bill Paxton objevil v mnoha populárních filmech, např. Twister, Apollo 13 a Titanic. Úspěšnou kariéru měl také v televizi, kde si zahrál významné role v seriálech, jako jsou Velká láska, Agenti S.H.I.E.L.D.u a Training Day.
Coby scenárista a producent se Bill Paxton stihl předvést pouze díky hudebnímu videoklipu Martini Ranch: How Can the Laboring Man Find Time for Self-Culture?
Necelý rok, (1979 až 1980), byla ženou Billa Paxtona herečka Kelly Rowan, druhá manželka Louise Paxton, jejichž svatba se konala v roce 1987, mu porodila dceru a syna, který se rozhodl pokračovat v otcových hereckých šlépějích.
Bill Paxton zemřel 25. února 2017 v důsledku komplikací po operaci ve věku 61 let.
V únoru 2023 byla do kin uvedena remasterovaná verze oscarového filmu Jamese Camerona Titanic ve 3D s vysokosnímkovou frekvencí pod názvem Titanic: 25. výročí.