Samuel Wilder wurde am 22. Juni 1906 als Sohn jüdischer Eltern in Sucha nahe Krakau geboren, das damals zu Österreich-Ungarn (Galizien) gehörte. In Reminiszenz an Buffallo Bill nannte seine amerikabegeisterte Mutter ihn "Billie". Der Vater betrieb in Krakau erfolgreich ein Hotel und ein Bahnhofsrestaurant, zog aber kurz vor Ausbruch des Ersten Weltkrieges mit der Familie ins sichere Wien um. Dort begann Wilder nach der Schulzeit und einem abgebrochenen Jura-Studium als Reporter zu arbeiten. Nebenbei verdiente er sich Geld als Eintänzer und hing seinen Vorlieben für Sport, Jazz und amerikanische Filme nach. Der populäre Jazzmusiker Paul Whiteman engagierte ihn 1924 als Fremdenführer und nahm ihn mit nach Berlin.

Im aufblühenden Kulturklima der Weimarer Republik fand Wilder ein Zuhause, traf Intellektuelle und Filmschaffende wie Erich Maria Remarque, die Brüder Robert und Kurt Siodmak und den Drehbuchautor Carl Meyer, der ihm den Einstieg in die Branche ermöglichte (wenn es auch einer oft wiederholten Anekdote nach ein Produzent namens Galitzenstein war, der auf der Flucht vor dem eifersüchtigen Freund von Wilders Nachbarin plötzlich halbnackt und hilflos in dessen Zimmer stand). Wilder schrieb mehrere Drehbücher als Ghostwriter, bis er bei "Der Teufelsreporter" (1929) erstmals offiziell in den Credits geführt wurde. Den eigentlichen Durchbruch bildete seine gemeinsame Arbeit mit den Brüdern Siodmak und Fred Zinnemann an "Menschen am Sonntag" (1930). Fortan schrieb er regelmäßig für die Ufa, meisterte problemlos den Übergang zum Tonfilm und verfasste u.a. die Adaption von Erich Kästners "Emil und die Detektive" (1931).

Wilder hatte sich in Berlin etabliert, erkannte 1933 aber sofort die Gefahr und verließ unmittelbar nach dem Reichstagsbrand die Stadt. Er emigrierte zunächst nach Paris, wo er wieder als Ghostwriter arbeitete, aber mit "Mauvaise Graine" (1933) an der Seite von Alexander Esway auch sein Regiedebüt gab. Nach kurzer Zeit reiste er weiter in die USA, unterstützt von Joe May, den er noch aus Berlin kannte. May war inzwischen Präsident der Columbia, beschaffte Wilder ein Visum und engagierte ihn als Autor für die fast ausschließlich von Emigranten bestrittene Produktion "Music in the Air" ("Liebesreigen", 1934). 1936 ging Wilder zur Paramount. Seine Karriere wurde eine der wenigen großen Erfolgsgeschichten des Filmexils. Selbst ohne größere Englischkenntnisse konnte er sich sowohl schnell als auch dauerhaft in Hollywood durchsetzen, was z.T. auf die Zusammenarbeit mit seinem langjährigen Co-Autor Charles Brackett zurückging, aber auch auf Wilders Affinität zur amerikanischen Kultur. Sein spannender, raffinierter und pointenreicher Erzählstil kam beim Publikum an und prägte das klassische Kino dieser Epoche entscheidend.

Mit Brackett schrieb Wilder u.a. "Bluebeard's Eighth Wife" ("Blaubarts achte Frau", 1938) und "Ninotschka" (1939) für Ernst Lubitsch, der zeitlebens sein großes Vorbild blieb. Damit, wie andere Regisseure seine Vorlagen umsetzten, war er allerdings unzufrieden und begann wieder selbst zu inszenieren: Sein amerikanisches Regiedebüt gab er 1942 mit "The Major and the Minor" ("Der Major und das Mädchen"). Seine folgenden Filme sind von eher düsterer Grundstimmung geprägt, darunter der gemeinsam mit Raymond Chandler verfasste "Double Indemnity" ("Frau ohne Gewissen", 1944), der zu einem Meilenstein des Film noir wurde, oder das Alkoholikerdrama "The Lost Weekend" ("Das verlorene Wochenende", 1945), mit dem er seinen ersten Regie-Oscar gewann. Nach Kriegsende reiste Wilder mit der U.S. Army nach Deutschland und beaufsichtigte als "Filmoffizier" die Montage der KZ-Dokumentation "Die Todesmühlen" (1945). Seine eigene Familie war in Auschwitz ermordet worden.

Auf Verdrängung und Neubeginn im zerstörten Berlin, wo er einst zuhause war, warf er in der mit Marlene Dietrich besetzten Nachkriegssatire "A Foreign Affair" ("Eine auswärtige Affäre") einen sarkastischen Blick; doch mit mindestens ebenso viel Sarkasmus widmete er sich in "Sunset Boulevard" ("Boulevard der Dämmerung", 1950) seiner neuen Heimat Hollywood. Ab 1951 produzierte er die meisten seiner Filme selbst und kehrte zu leichteren Stoffen und Komödien zurück, darunter seine bekanntesten: von "Sabrina" (1954) mit Audrey Hepburn über "The Seven Year Itch" ("Das verflixte 7. Jahr", 1955) und natürlich "Some Like It Hot" ("Manche mögen's heiß", 1959) mit Marilyn Monroe zu "The Apartment" ("Das Appartement", 1960), für den er drei Oscars (als Regisseur, als Autor sowie als Produzent für den Besten Film) erhielt. Mit "One, Two, Three" ("Eins, zwei, drei", 1961), seiner Komödie über den Kalten Krieg, die ihn erneut ins geteilte Berlin zurückführte, traf Wilder einen heiklen Zeitpunkt: Noch während der Postproduktion begann der Mauerbau. Niemand mochte mehr über seine Farce lachen, die zum kommerziellen Misserfolg geriet, in späteren Jahren aber umso beliebter wurde.

Mit "The Fortune Cookie" ("Der Glückspilz", 1966) etablierte Wilder das Komödiantenduo Walter Matthau und Jack Lemmon, die auch noch in seiner letzten Regiearbeit "Buddy Buddy" (1981) auftraten. In der Zwischenzeit ging Wilders Popularität zurück. Mit dem Zerfall des Studiosystems schwand auch der Erfolg seiner sich nun teils wiederholenden Muster. Auch sein vielleicht komplexester Film "Fedora", in dem Hildegard Knef in Reminiszenz an "Sunset Boulevard" als gealterte Filmdiva auftritt, bot keine Alternative. Nach 1981 drehte Wilder nicht mehr selbst, blieb aber als Berater für die United Artists tätig. Für sein Gesamtwerk wurde er in Hollywood und Europa mit zahlreichen Ehrungen überschüttet. In vielen ausführlichen Interviews wurde er zu Leben und Werk befragt, unter anderem von Volker Schlöndorff in seinem Film "Billy, how did you do it?" (1992) oder von dem jungen Regisseur Cameron Crowe in dem Buch "Hat es Spaß gemacht, Mr. Wilder?". Am 27. März 2002 starb Billy Wilder mit 95 Jahren an den Folgen einer Lungenentzündung in Beverly Hills. Ein in L.A. und Bonn ansässiges Filminstitut ist nach ihm benannt.

Billy Wilder war von 1936 bis 1947 mit Judith Coppicus-Iribe verheiratet, ab 1949 mit der Schauspielerin und Sängerin Audrey Young, die er am Set von "The Lost Weekend" traf.