Wilhelm Egon Fritz Fritsch kam am 27. Januar 1901 in Kattowitz (Oberschlesien; heute Katowice, Polen) als Sohn des Landwirts und Maschinenfabrikanten Lothar Fritsch und seiner Frau Anni, geb. Bauckmann zur Welt. Der Vater Lothar Fritsch ging 1910 als Siemens-Betriebsleiter nach Berlin, zwei Jahre später folgte ihm sein Sohn Wilhelm, der dort die Oberrealschule besuchte. 1915 begann er eine Mechanikerlehre bei Siemens, die er jedoch nicht beendete, stattdessen arbeitete er anschließend als Botenjunge und Hilfsschreiber beim Berliner Landgericht. Seine erste Bühnenerfahrung machte Fritsch 1919, als er in der "Orestie"-Aufführung zur Eröffnung des Großen Schauspielhauses im Chor mitwirkte. Außerdem nahm er Unterricht beim Reinhardt-Schauspieler Gustav Sczimek und erhielt durch Fürsprache des Regisseurs Richard Gerner kleinere Rollen am Deutschen Theater und den angeschlossenen Kammerspielen. Schließlich erhielt Fritsch einen Anfängervertrag, der ihm Auftritte als jugendlicher Liebhaber und Komiker zusicherte und begleitete 1922 das Reinhardt-Ensemble auf einer Skandinavien-Tournee.

Ab 1921 begann Fritsch seine Karriere beim Film und spielte etwa in dem "Tonfilmvorläufer" "Miß Venus". 1923 bewarb er sich auf Empfehlung des Bühnenkollegen Paul Hartmann bei der Decla-Bioscop um die Hauptrolle in "Seine Frau, die Unbekannte". Fritsch bekam die Rolle und spielte einen im Krieg erblindeten Maler, der nach einer erfolgreichen Operation zwar sein Augenlicht zurückgewinnt, anschließend jedoch seine Frau nicht mehr wieder erkennt.

Es folgte der Part eines angeblichen Grafensohns in Joe Mays "Der Farmer aus Texas". Die Rolle bedeutete seinen Durchbruch und machte ihn zum gefeierten Ufa-Star. Anschließend spielte Fritsch den charmanten Leutnant Niki, der den Frauen den Kopf verdreht, in Ludwig Bergers "Ein Walzertraum". Der Film war auch in den USA sehr erfolgreich, was Fritsch einen Vertrag mit United Artists einbrachte – die Ufa verhinderte jedoch das Engagement. Daraufhin war Fritsch in weiteren Produktionen zu sehen, die das Erfolgsrezept des "Walzertraums" imitierten, beispielsweise "Der Prinz und die Tänzerin" und "Der letzte Walzer". Erst "Die Boxerbraut", in der Fritsch zeitweise als Schwarzer geschminkt auftrat, sowie die Fritz Lang-Filme "Spione", in dem er als "Agent Nr. 326" Mut zur Hässlichkeit bewies, und "Frau im Mond", in dem er einen Raketeningenieur spielte, zeigten ihn abseits seiner Standardbesetzung als fescher Frauenschwarm.

Für den ersten Ufa-Tonfilm "Melodie des Herzens", in dem er einen Husaren verkörpert, nahm Fritsch auf Weisung der Ufa Gesangsunterricht. Sein erster vernehmbarer Satz auf der Leinwand: "Ich spare nämlich auf ein Pferd." Wenig später stand Fritsch erstmals gemeinsam mit Lilian Harvey vor der Kamera. Auf "Die keusche Susanne" (1926) und "Ihr dunkler Punkt" (1928) folgt mit der "Tonfilmoperette" "Liebeswalzer" die dritte Zusammenarbeit der beiden. Darin mimte Fritsch den Sekretär des Erzherzogs, Bobby, der einmal mehr als fescher Charmeur die Frauenherzen erobert. Nicht nur als Bobby errang Fritsch das Herz von Prinzessin Eva, auch abseits der Kamera war er mit der sie spielenden Lilian Harvey liiert. "Liebeswalzer" etablierte die beiden 1930 als das "Traumpaar des deutschen Films".

Gemeinsam spielten Fritsch und Harvey noch im gleichen Jahr in "Hokuspokus" nach Curt Goetz, der Ehekomödie "Einbrecher", der immens erfolgreichen Komödie "Die drei von der Tankstelle", sowie 1931/32 im aufwändigen Kostümfilm "Der Kongress tanzt" und der Satire "Ein blonder Traum". Viele der Filmlieder, von Harvey und Fritsch gesungen, wurden zugleich als Schlager bekannt und durch die intensive Vermarktung auch als Schallplatten erfolgreich, so etwa "Ein Freund, ein guter Freund" aus "Die drei von der Tankstelle".

Während er in den 1930er Jahren stetig steigende Rekordgagen erhielt, entwickelte sich Fritsch allmählich zum Charakterdarsteller und streifte sein romantisches Rollenimage langsam ab. Auch Ausflüge ins komische Fach machte er nun, etwa in Ludwig Bergers "Ich bei Tag und Du bei Nacht" und der Groteske "Walzerkrieg". Diese Entwicklung kulminiert 1935 in seiner Doppelrolle in Reinhold Schünzels "Amphitryon" nach Heinrich von Kleist. Fritsch spielt sowohl den heldenhaften Krieger als auch den greisen Lustmolch Jupiter.

Im gleichen Jahr war Fritsch erneut mit Lilian Harvey in dem propagandistisch angehauchten Drama "Schwarze Rosen" als finnischer Befreiungskämpfer Erkki Collin zu sehen, der auf der Flucht vor den russischen Soldaten bei der von Harvey verkörperten Tänzerin Marina Feodorowna Unterschlupf findet. 1936 folgte eine weitere Zusammenarbeit in "Glückskinder" und schließlich 1939 mit "Frau am Steuer", der letzte ihrer zwölf gemeinsamen Filme.

Fritsch, inzwischen mit der Schauspielerin und Tänzerin Dinah Grace (Käthe Johanna Gerda Ilse Schmidt) verheiratet, mit der er auch die Söhne Michael und Thomas bekam, spielte in den 40er Jahren an der Seite von Marika Rökk ("Frauen sind doch bessere Diplomaten"), Marte Harell ("Dreimal Hochzeit", "Die Fledermaus") oder auch Jenny Jugo ("Die Gattin"). 1944 mimte er in "Junge Adler", ein später nationalsozialistischer "Erziehungsfilm", den Ausbildungsleiter Roth.

Nach Kriegsende persiflierte Fritsch sein eigenes Image als attraktiver Liebhaber und Frauenheld in Rudolf Jugerts "Film ohne Titel" (1948), auch sein kabarettistisches Talent stellt er als Conférencier in Günter Neumanns Kompilationsfilm "Herrliche Zeiten" unter Beweis. Obwohl Fritzsch auch danach in vielen Filmen zu sehen war, fand er in den zumeist seichten Unterhaltungs- und Heimatfilmen kaum noch Möglichkeiten, sein Talent zur Geltung zu bringen.

Nach dem Tod seiner Frau im Jahr 1963 zog Fritsch sich aus der Öffentlichkeit weitgehend zurück. 1964 drehte er zusammen mit seinem Sohn Thomas seinen letzten Kinofilm: "Das hab" Ich von Papa gelernt" unter der Regie von Axel von Ambesser. Im Radio moderierte Fritsch auch danach noch nostalgische Film- und Schlagersendungen, auch als Interviewpartner blieb er gefragt.

Willy Fritsch starb am 13. Juli 1973 in Hamburg.