Его отец Уилли Рэй Торнтон преподавал историю в университете и работал по совместительству баскетбольным тренером. Мать Билли — Вирджиния Фолкнер — была ясновидящей. В семье кроме Билли Боба, было ещё трое сыновей — Джимми Дон, Джим Бин и Джон Дэвид. В детстве Билли Боб много времени проводил со своим дедушкой — Отисом Торнтоном, который работал смотрителем леса и жил в маленькой лачуге посреди леса.
В школе он хотел стать музыкантом и играл на барабанах в группе Stone Cold Fever. Потом начал карьеру певца в коллективе Tres Hombres.
Мировую славу Торнтону принесла драма «Отточенное лезвие» (1996). В ней он выступил режиссёром-постановщиком, исполнителем главной роли и автором сценария, принёсшего ему единственную в карьере премию «Оскар».
7 октября 2004 года он получил собственную звезду на Аллее Славы в Голливуде.
Помимо успешной актёрской деятельности известен как горячий поклонник кантри — Торнтон активно дает концерты и его выступления пользуются успехом
