Отец - тренер по баскетболу и учитель истории (умер, когда сыну исполнилось 18), мать - домохозяйка и по совместительности ясновидящая, предсказавшая сыну "Оскара" и работу с Бертом Рейнольдсом.
Стать актером Билли решил, насмотревшись фильмов с Элвисом Пресли. В детстве Торнтон играл в школьном театре, но считал, что его младший брат Джимми гораздо талантливее. Джимми умер от разрыва сердца, и Торнтон до сих пор уверен, что его брат стал бы гораздо более талантливым актером, нежели он. После школы Торнтон пытался учиться в университете, работать, но в 21 год бросил все и уехал в Лос-Анджелес.
Они с приятелем Томом Эпперсоном мечтали стать калифорнийскими рок-звездами. Играли в разных группах, подрабатывали на жизнь. В 1985 году Билли попал в больницу с диагнозом "истощение". Он не ел несколько дней. Поправившись, Торнтон стал ходить на прослушивания, и вскоре ему начали давать роли на телевидении.
Первых успехов в кино Торнтон добился в фильмах "Один неверный ход" и "Отточенное лезвие". Оба они стали возможны только потому, что он сам написал сценарии. Торнтон говорит, что идею стать сценаристом подкинул ему в начале 90-х годов кино - классик Билли Уайлдер.
Тогда Торнтон с Томом Эпперсоном написали сценарий "Одного неверного хода". Поставленный в 1991 году фильм был благосклонно принят в США, и особенно во Франции, где он снискал приз фестиваля полицейских фильмов в городе Коньяк.
А в 1996 году Торнтон получил "Оскар" за лучший оригинальный сценарий к фильму "Отточенное лезвие". Это история о человеке, который двадцать пять лет просидел в психушке после убийства матери и ее любовника, и был вдруг выпущен на свободу.
С тех пор Билли Боб Торнтон работает, не переставая.
Торнтон — большой поклонник европейского футбола. Болеет за британский клуб «Ливерпуль».
Из всех городов мира больше всего любит Париж. У него даже есть собственный пентхауз во французской столице.
Полуголодная молодость подорвала его здоровье: пару раз приходилось лечить сердце. Из-за этого он стал ипохондриком и ныне страдает целым букетом фобий. Наиболее известная фобия Торнтона — паническая боязнь полетов. Самая экзотическая — страх перед антикварной мебелью.
У актера четверо родных детей.
7 октября 2004 года он получил собственную звезду на Аллее Славы в Голливуде.