Wilder, il cui vero nome era Samuel, nasce nel 1906 a Sucha, città all'epoca austriaca (ora polacca); il nome Billy gli viene messo subito dalla madre, affascinata dall'America di Billy the Kid e che in gioventù ha vissuto a New York; il padre, con un'esperienza a capo di una catena di ristoranti, apre un albergo a Cracovia che però deve chiudere dopo lo scoppio della Prima Guerra Mondiale. Nel 1914, infatti, la famiglia Wilder è costretta a trasferirsi a Vienna, dove Billy si iscrive al liceo e in seguito all'università, per studiare legge e diventare avvocato come vorrebbe la madre. Contemporaneamente dedica il suo tempo libero a quella che è la sua vera passione, la scrittura. Quando comincia a collaborare col giornale "Die Stunde", decide perciò di interrompere gli studi universitari, e dedicarsi a tempo pieno alla stesura di articoli di varia natura - per uno di questi pezzi, viene incaricato di intervistare Sigmund Freud, che però lo caccia non appena scopre la sua identità di giornalista. Nel '26 Wilder, grande estimatore di jazz, stringe amicizia col direttore d'orchestra Paul Whitman che lo invita a Berlino: anche nella capitale Wilder continua a lavorare come giornalista, scrivendo spesso anche recensioni teatrali per varie testate: "Berliner Zeitung", "Tempo", "Borsen-Courier", "Querschnitt" e "Revue des Monats" (inoltre si cimenta anche come insegnante di Charleston a domicilio, e danzatore a pagamento). Ma il suo impegno nel giornalismo dura poco. Già nel 1929 inizia a scrivere sceneggiature cinematografiche collaborando spesso con il regista tedesco Robert Siodmak. Wilder divenne famoso nel giro di poco tempo, ma quando nel 1933 Adolf Hitler salì al potere, la sua carriera, a causa delle sue origini ebree, fu improvvisamente interrotta fino a essere costretto a fuggire dalla Germania. A portarlo negli Usa furono quindi le leggi razziali del nazismo: dopo l'avvento di Hitler nel 1933 emigrò dapprima a Parigi dove diresse il suo primo lungometraggio dal titolo Amore che redime e l'anno successivo negli Stati Uniti, mentre i suoi parenti rimasti in Europa morirono nei campi di concentramento.
I primi anni americani furono difficilissimi: senza soldi, senza conoscere una parola di inglese, Wilder fu costretto a una vita di stenti, con collaborazioni sporadiche in film di basso livello. Assieme al grande attore Peter Lorre, condusse un'esistenza piena di difficoltà, mantenendosi con sporadiche collaborazioni a sceneggiature di film di serie B. La situazione migliora quando nel 1939 scrive la sceneggiatura (con Charles Brackett e Walter Reisch) del film Ninotchka, diretto dal connazionale Ernst Lubitsch, che gli vale una nomination all'Oscar per la miglior sceneggiatura. Altre due nomination arrivano (sempre per la sceneggiatura) per La Porta d'oro e Colpo di fulmine di Howard Hawks. Finalmente nel '42 ebbe l'occasione di dirigere il suo primo lungometraggio in America: si tratta di Frutto proibito con Ginger Rogers e nel '44 arriva il suo primo grande capolavoro, La fiamma del peccato, che gli fa ottenere altre due nomination all'Oscar sia come regia che come sceneggiatura. Seguono poi Giorni perduti, che tratta in modo diretto il problema dell'alcolismo, che gli consente di vincere i suoi primi Oscar come miglior regista e miglior sceneggiatura, Scandalo Internazionale e Viale del Tramonto. Impossibile poi non citare i suoi film interpretati da Marilyn Monroe come Quando la moglie è in vacanza o A qualcuno piace caldo. Il suo ultimo film è stato Buddy Buddy del 1981 interpretato da Jack Lemmon e Walter Matthau, che ha chiuso una carriera ricca di 4 Oscar come regista e altrettanti come sceneggiatore.
Wilder si è sposato due volte: la prima con Judith Coppicus nel '36, la seconda nel '49 con Audrey Wilder conosciuta sul set di "Giorni perduti" e al suo fianco fino al suo decesso, avvenuto il 27 marzo del 2002 all'età di 95 anni a causa di una polmonite.