Билли Уайлдер родился в еврейской семье, проживавшей в городе Суха-Бескидзка в Польше. Его отец Макс Вильдер был управляющим гостиничной сетью, мать Евгения Дитлер — домохозяйкой. Поступил в Венский университет, намереваясь получить образование юриста, однако после года обучения оставил университет, чтобы стать сотрудником одной из ведущих венских газет. В 1920-е гг. работал журналистом в Берлине, где начал писать сценарии для немых кинофильмов. В 1929—1933 годах по его сценариям поставлены, в частности, такие фильмы, как «Эмиль и сыщики», «Человек, который искал своего убийцу». После прихода к власти нацистов эмигрировал во Францию, а затем в Соединённые Штаты. Его мать, отчим и бабушка погибли в Освенциме.

Уайлдер приехал в Лос-Анджелес без денег и не зная английского языка. Он прибыл туда вместе с актёром Петером Лорре и несколько лет жил в крайней бедности, перебиваясь доходами от писания совместных сценариев. Поворотный момент в его творческой биографии наступил, когда он познакомился со сценаристом Чарлзом Брэккеттом. Их длительное и плодотворное сотрудничество началось с фильма «Восьмая жена Синей Бороды» (1938) и продолжалось до 1950 года, и его результатом стал целый ряд блестящих сценариев и кассовых хитов американского кино конца 1930-х — начала 1940-х годов. По их сценариям поставлены такие успешные комедии, как «Полночь» (1939) Лейзена, «Ниночка» (1939) Любича (главную роль в которой сыграла Грета Гарбо) и «С огоньком» (1941) Хоукса. После этих больших удач, начиная с 1942 года, Уайлдер и Брэккетт расширили сферу своей совместной деятельности, занявшись также продюсированием и режиссурой. Как самостоятельный режиссёр Уайлдер дебютировал комедией «Майор и малютка» (1942).

В 1944 г. Уайлдер снимает один из первых своих фильмов в жанре нуар — «Двойная страховка». Сценарий к нему был написан им совместно с известным автором детективных романов Раймондом Чандлером.

Во второй половине сороковых и в пятидесятых годах Уайлдер — один из самых востребованных режиссёров Голливуда. Ключом к успеху Уайлдер считал обдуманный подбор сценария, предельное внимание к сюжету, меткость и афористичность реплик, углублённую работу с актёрами. Картины Уайлдера этих лет посвящены таким нетипичным для Голливуда темам, как алкоголизм, нацистские концлагеря, проституция и бессмысленность современной жизни.

Среди его режиссёрских успехов, отмеченных премиями «Оскар», — «Потерянный уикенд» (1945), «Бульвар Сансет» (1950) и «Квартира» (1960).

Начиная с фильма «Зуд седьмого года» (1955), основным жанром в творчестве Уайлдера становится комедия в самых разнообразных проявлениях: комедия-фарс («В джазе только девушки», 1959), романтическая комедия («Любовь после полудня», 1957), комедия с оттенком сатиры («Квартира», 1960). Почти все эти ленты основаны на сценариях И. А. Л. Даймонда, с которым Билли Уайлдер сотрудничал с 1955 года. Излюбленными актёрами Уайлдера тех лет были Джек Леммон, Мэрилин Монро, Одри Хепбёрн.

Несмотря на интерес режиссёра к социальным драмам, за Уайлдером закрепилась репутация крупнейшего мастера комедии в истории звукового американского кино. В сотне самых смешных голливудских фильмов, составленной Американским институтом киноискусства, больше всех картин принадлежит Уайлдеру, в том числе лента, возглавляющая список, — «В джазе только девушки». Сам же режиссёр, объясняя свой интерес к жанру комедии, говорил: «Сейчас, когда я думаю о моих фильмах, мне кажется, что когда я был чем-то расстроен, то обязательно делал комедию. И наоборот, в состоянии душевного подъёма мне хотелось снимать нечто трагическое. Наверно, я делал это вполне бессознательно. Но могу сказать с полной ответственностью, что в процессе работы над комедией я избавлялся от депрессии. Фильмы были для меня чем-то вроде психоанализа».

Во многом итоговая, комедия Уайлдера «Квартира» была удостоена нескольких «Оскаров» (в том числе в категории «Лучший фильм»).

В сентябре 2017 года Билли Уайлдер возглавил рейтинг топ-100 сценаристов в истории кинематографа, который опубликовал портал Vulture.