Il débute sa carrière à l'âge de 20 ans en enchainant les rôles à la télévision et dans des courts-métrages. En 1981, il se retrouve aux côtés de Bill Murray (SOS Fantômes) dans Les bleus et trois ans plus tard, il côtoiera Arnold Schwarzenegger dans Terminator puis il jouera de nouveau avec lui en 1994 dans True Lies - Le caméléon.
Son talent d'acteur se retrouve mis à contribution en 1986 lorsqu'il tourne sous la direction de James Cameron dans Aliens - Le retour, réalisateur qu'il retrouvera 11 ans plus tard pour Titanic.
En 1995, il prendra du galon en tournant dans Apollo 13 avec Tom Hanks (Inferno) et Kevin Bacon (Following). Même si sa carrière d'acteur s'est principalement faite sur le grand écran, au début des années 2000, il se retrouvera sur le petit écran quand on lui a offert le rôle de Bill Henrickson dans la série Big Love en 2006. En 2014, c'est dans Marvel: Les agents du S.H.I.E.L.D. qu'il incarnera John Garrett le temps de 6 épisodes.
Depuis le 2 février dernier, la chaîne CBS propose une nouvelle série intitulée Training Day, adaptée du film éponyme sorti en 2001 où il était le Détective Frank Rourk. Le drame est survenu alors que la série était encore en tournage, on ne sait pas si son rôle sera proposé à un autre acteur ou si la série sera arrêtée de façon prématurée.
Bill Paxton était marié et père de 2 enfants.
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