Nato e cresciuto a Forth Worth in Texas (dove ha anche fatto il caddie per il grande giocatore di golf Ben Hogan), Bill Paxton scopre le sue aspirazioni di attore durante il liceo, quando con i suoi amici decide di girare un film in Super 8.
L'entusiasmo mostrato dal ragazzo convince i genitori a mandarlo, dopo aver compiuto i diciotto anni, a Los Angeles per poche settimane. In realtà le poche settimane diventeranno ben tre anni: durante questo periodo Bill è costretto inizialmente a lavorare come parcheggiatore a Beverly Hills, salvo poi entrare nell'industria dello spettacolo come scenografo per la "Roger Corman's New World Pictures" e infine esordire come interprete al cinema in Crazy mama di Jonathan Demme.
Ma Bill decide di abbandonare la costa Est per iscriversi alla New York University e seguire i corsi della grande attrice drammatica Stella Adler con lo scopo di migliorare la sua recitazione. Una volta tornato a Los Angeles, l'attore si trova impegnato in una lunga serie di film (si contano ben undici apparizioni tra il 1981 e il 1986); compresi titoli celebri come gli action Strade di fuoco, ll buio s'avvicina e Commando (nonché il sequel Predator 2), la commedia La donna esplosiva, e soprattutto Terminator e Aliens - scontro finale, diretti entrambi da James Cameron. E in effetti si instaura una preziosa collaborazione tra l'attore e il regista, che oltre a volerlo in True Lies e in Titanic ha anche girato un video della band di Bill, i "Martini Ranch".
Negli anni Novanta arrivano finalmente i primi ruoli di rilievo, prevalentemente in titoli di genere nei quali ha l'occasione di esibire tutta la sua presenza scenica, dal thriller psicologico Brain Dead, alla commedia nera Il cannibale metropolitano,dove è un neoinquilino tormentato da una presenza spiritica, passando per il thriller Qualcuno sta per morire, nel quale è uno sceriffo alla caccia di una banda criminale capitanata da Billy Bob Thornton. Torna sotto la regia di Walter Hill in I trasgressori, dove è un vigile del fuoco alla ricerca di un tesoro nascosto e, dopo la partecipazione al dramma corale Ritorno a Tamakwa, recita nel torbido thriller Boxing Helena e nel western Tombstone, dove è il fratello di Wyatt Earp alias Kurt Russell.
Intorno alla metà degli anni Novanta Paxton riesce a ottenere la ribalta partecipando a blockbuster di successo, tra cui il disaster movie Twister, dove è un metereologo che va a caccia di tornado in coppia con Helen Hunt, Apollo 13 di Ron Howard, nel quale insieme a Tom Hanks e Kevin Bacon forma un terzetto di astronauti a bordo dei una sfortunata navetta spaziale. Interpretazioni che Bill intreccia con progetti più minimalisti, ma ugualmente interessanti, come la commedia grottesca Una cena quasi perfetta, l'intimo Conflitti del cuore, nel quale duetta con Shirley MacLaine, e l'insolito Svolta pericolosa, dove si unisce a un gruppo di nomadi itineranti.
L'attore torna al cinema mainstream con Il grande Joe, dove aiuta la bella Charlize Theron a salvare un possente scimmione, con il serrato thriller di Sam Raimi Soldi sporchi, dove ritrova ancora Billy Bob Thornton, con l'avventura sottomarina di U 571 e con quella ad alta quota di Vertical Limit.
Si cimenta anche come regista nel thriller psicologico Frailty - Nessuno è al sicuro, dove si riserva anche un ruolo decisamente inquietante, cui seguirà anche un altro lavoro dietro la macchina da presa, Il più bel gioco della mia vita, incentrato sulla storia (dagli echi autobiografici) del golfista Francis Ouimet
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In seguito Bill si fa attrarre dalle sirene del cinema per ragazzi, partecipando alla serie Spy Kids 2 - L'isola dei sogni perduti e Spy Kids - Missione 3D: Game Over di Robert Rodriguez, e a quella dei Thunderbirds.
Dopo l'action Haven, dove impersona un corrotto uomo d'affari in fuga nelle isole Cayman, si dedica al mondo del piccolo schermo partecipando alla acclamata serie HBO Big Love, dove si cala nei panni del poligamo Bill Henrickson, sposato con ben tre mogli contemporaneamente. Torna al genere action con Haywire di Steven Soderbergh, dove affianca le star Antonio Banderas, Ewan McGregor e Michael Douglas.
Bill Paxton è sposato dal 1982 con Louise Newbury che gli ha dato due figli, James, nato nel 1994, e Lidya, nata nel 1997.
2010 Candidatura Miglior attore (Serie TV - Dramma) per Big Love
2008 Candidatura Miglior attore (Serie TV - Dramma) per Big Love
2007 Candidatura Miglior attore (Serie TV - Dramma) per Big Love
1999 Candidatura Miglior attore (Miniserie o film per la tv) per La guerra dei bugiardi
2013 Candidatura Miglior attore in un film tv o una miniserie per Hatfields & McCoys
1998 Candidatura Miglior performance dell'intero cast per Titanic
2012 Candidatura Miglior attore protagonista in una miniserie o film TV per Hatfields & McCoys
2003 Premio Filmmaker's Showcase Award
2003 Candidatura Miglior regista per Frailty - Nessuno è al sicuro
1997 Candidatura Miglior attore per Twister
2017 Recitazione
2014 Recitazione
2014 Recitazione
2013 Recitazione
Sapete cosa sono le pistole? Sono un'estensione del pene. Ed è per questo che i maschi amano giocarci, perchè amano giocare anche con i loro peni. E possono sparare e cose del genere. Voglio dire, Freud ne avrebbe da parlare …
James Paxton ha recitato in una breve sequenza del film per onorare il ricordo del padre scomparso nel 2017.
La star di Agents of S.H.I.E.L.D. interpreterà un personaggio che avrebbe dovuto essere assegnato al compianto padre.
Il parallelo con Jurassic Park, i tornado, il successo al box office il sequel/reboot: rivedendo oggi Twister, ci accorgiamo di quanto il film fosse una sorta di monito che anticipava la crisi climatica attuale.
"Sono stata così fortunata a conoscere quest'uomo", si legge nel post condiviso da Amanda Seyfried per ricordare l'amico e collega Bill Paxton.
Il tragico evento, secondo quanto dichiarato dagli avvocati della famiglia, sarebbe stato una conseguenza della procedura compiuta dal medico che l'aveva operato.