Bill Paxton şi-a început cariera la Hollywood lucrând ca decorator de platou pentru regizorul şi producătorul Roger Corman. A debutat pe marele ecran în 1975, în filmul de acţiune Crazi Mama, regizat de Jonathan Demmme. În următorii nouă ani a avut doar şapte roluri mici, dar în 1984 James Cameron l-a distribuit în Terminator, unde Paxton a avut o aparţie de scurtă durată. Cele câteva secunde de pe ecran au însemnat însă începutul unei lungi relaţii cu regizorul James Cameron.
Ulterior, în 1985, Bill Paxton a jucat în Commando, iar un an mai târziu în Aliens – Misiune de pedeapsă. În 1990 a jucat în Predator 2, iar în 1995 în Apollo 13, alături de Tom Hanks şi Kevin Bacon. Unul dintre rolurile carierei lea- avut însă în 1997, în Titanic, unde a interpretat rolul unui vânător de comori, Brock Lovett.