Nato il 17 febbraio 1972 a Oakland da una famiglia di umili origini, Billie Joe Armstrong è ultimo di sei fratelli. Dimostra un innato talento musicale già a cinque anni, età in cui incide la sua prima canzone, Look for Love. Suo padre, Andy, camionista e musicista jazz, muore di cancro quando lui ha solo dieci anni, lasciandogli in eredità una chitarra, che battezza con il soprannome Blue.
Nel 1987, a soli quindici anni, forma insieme al suo inseparabile amico, il bassista Mike Dirnt, gli Sweet Children, che diventeranno i Green Day (espressione che in gergo significa "giornata passata a fumare erba") nel 1989 con l'arrivo del batterista Al Sobrante, poi sostituito da Tre Cool.
I primi due album dei Green Day pubblicati per etichette indipendenti - 1,039/Smoothed Out Slappy Hours del 1990 e Kerplunk! Del 1992 - nei quali Armstrong è il cantante front-man e chitarrista, rendono nota la band all'interno della scena punk underground californiana.
Nel 1994 il gruppo raggiunge il successo planetario con Dookie (che gli frutta un Grammy) e in particolare con il famosissimo singolo Basket Case (trasmesso a ripetizione su Mtv). Per il fatto di essere passati sotto una major (l'album segna l'inizio della collaborazione con la Reprise, sotto-etichetta della Warner Bros) i loro fan più intransigenti gridano al tradimento e danno loro dei venduti, recapitando tra l'altro numerose minacce a casa Armstrong. Il 1994 è anche l'anno in cui Bille Joe si sposa con Adrianne Nesser, da cui avrà in seguito due figli, Joey e Jakob Danger. L'anno successivo i Green Day pubblicano Insomniac, caratterizzato da un tono più cupo, che vende oltre sei milioni di copie.
Dopo un periodo di pausa, durante il quale il gruppo incide alcuni album dal vivo, nel 1996 è la volta di Nimrod, che sperimenta inedite sonorità ska e surf rock e presenta anche alcuni brani acustici, in particolare Good Riddance (Time of Your Life), che riscuote un ottimo successo, aggiudicandosi anche il MTV Video Music Awards, e viene inclusa nella colonna sonora di svariati programmi, tra cui la serie E.R. - Medici in prima linea.
Segue un altro periodo di pausa, e nel 2000 i Green Day realizzano un nuovo disco, Warning, che rappresenta una decisa virata commerciale nella direzione del pop-punk e, nonostante il successo del singolo Minority, ottiene dei giudizi contrastanti.
Dopo le raccolte International Superhits! e Shenanigans, e dopo aver vinto un nuovo Grammy per il brano Espionage, contenuto nella colonna sonora del film Austin Powers: La spia che ci provava, nel 2004 la punk rock opera American Idiot riporta la fama della band ai livelli di Dookie, grazie anche a un'impronta più politicizzata e alle liriche ispirate che mettono in mostra le ottime doti di Armstrong come songwriter. L'album si aggiudica due Grammy (per i singoli American Idiot e Boulevard of Broken Dreams) e sette premi agli MTV Video Music Awards, e dà origine a un tour planetario, che viene immortalato nel CD/DVD Bullet in a Bible.
All'apice del successo, la band presta la propria voce anche per il cartone in stop motion Live Freaky Die Freaky, nel quale collabora anche alla colonna sonora, e fa un'apparizione in I Simpson - Il film; mentre viene dedicata a Billie Joe anche un'edizione speciale della chitarra elettrica Gibson Les Paul Junior.
Nel 2008 i Green Day danno vita a una side-project band, dal nome Foxboro Hot Tubs, che realizza l'album garage rock Stop Drop and Roll. Tornano nella loro formazione originale l'anno seguente per firmare un nuovo album, 21st Century Breakdown, nuova punk rock opera divisa in tre atti, che diventa disco d'oro. Forte di un rinnovato successo, il gruppo realizza persino un musical tratto da American Idiot, e nel 2011 rilascia un altro CD/DVD live, Awesome as Fuck.
Oltre a essere l'anima dei Green Day, Billie Joe Armstrong ha però scritto e cantato brani anche per altri gruppi, tra cui Pinhead Gunpowder e The Network, e ha fondato assieme alla moglie dell'etichetta discografica Adeline Records.
Billie Joe Armstrong sarà il protagonista del progetto con il ruolo di St. Jimmy.
La band punk californiana contribuirà alla soundtrack della satira politica col brano 99 Revelations.
Il leader dei Green Day è stato ingaggiato dalla Universal per portare sul grande schermo il ribelle St. Jimmy, uno dei protagonisti di American Idiot.