Nato a Indiana - in Pennsylvania - nel maggio 1908, si laurea in Architettura all’Università di Princeton (nel ’32) e, dopo aver recitato a Broadway, esordisce al cinema in Ultime notizie (1934) di Tim Whelan, in cui lavora con Spencer Tracy

Il suo primo ruolo da protagonista arriva due anni dopo nella commedia Nata per danzare (1936) di Roy Del Ruth. La sua stella si afferma velocemente grazie ad una recitazione garbata, ad un’istintiva affabilità e ad un talento interpretativo che fanno di lui uno fra gli attori in cui il pubblico americano dell’epoca più volentieri si identifica.

Recita assiduamente in numerosi film di successo, fra cui L’eterna illusione (1938) di Frank Capra, Mr Smith va a Washington (1939), anch’esso diretto da Frank Capra e considerato uno fra i capolavori della commedia americana d’impronta roosveltiana, Partita d’azzardo (1939) di George Marshall, Questo mondo è meraviglioso (1939) di W. S. Van Dyke II, Scandalo a Philadelphia (1940) di George Cukor, in cui recita con Cary Grant e Katharine Hepburn, e con cui vince l’Oscar come Miglior Attore Non Protagonista, Scrivimi fermo posta (1940) di Ernst Lubitsch, rifatto circa sessant’anni dopo con C’è post@ per te (1998) di Nora Ephron, Vieni a vivere con me (1941) di Clarence Brown.

Dopo aver combattuto in aviazione durante la Seconda guerra mondiale, torna al cinema con il celebre personaggio di George Bailey in La vita è meravigliosa (1946) di Frank Capra.

Due anni dopo, in Nodo alla gola (1948, conosciuto anche con il titolo Cocktail per un cadavere), film sperimentale costruito sulla base di una decina di piani ambientati in una sola stanza e montati in modo tale da simulare un unico piano sequenza, lavora per la prima volta con il grande Alfred Hitchcock, che negli anni Cinquanta lo dirigerà nuovamente in La finestra sul cortile (1954), L’uomo che sapeva troppo (1956), remake dell’omonimo film inglese del 1934 diretto dallo stesso Hitchcock, ed in  La donna che visse due volte (1958), esaltando la situazione narrativa dell’uomo qualunque che, suo malgrado, si ritrova alle prese con vicende straordinarie ed inquietanti.

Negli anni Cinquanta, inaugurati dall’eccentrica parentesi di Harvey (1950) di Henry Koster, matura ulteriormente il suo personaggio svincolandosi dalla parte di onesto americano medio e trovando memorabili ruoli drammatici ne Il più grande spettacolo del mondo (1952) di Cecil B. De Mille e in Anatomia di un omicidio (1959) di Otto Preminger, considerato - insieme a La parola ai giurati di Sidney Lumet, Testimone d’accusa  di Billy Wilder, Vincitori e vinti di Stanley Kramer, il bellissimo Il buio oltre la siepe di Robert Mulligan, tratto dal libro omonimo (Premio Pulitzer 1960) di Harper Lee e Il verdetto di Sidney Lumet) come uno fra i migliori Courtroom Drama americani mai realizzati.

In tale decennio un altro genere che lo vede protagonista è il western, grazie anche al sodalizio con Anthony Mann, che lo dirige in otto film fra cui cinque western - Winchester 73 (1950),   Là dove scende il fiume (1952), Lo sperone nudo (1953),  Terra lontana (1954), L’uomo di Laramie (1955) -, ma anche diretto da Delmer Daves - L’amante indiana (1950 - e  James Nielsen - Passaggio di notte (1957).

Nel ’57 interpreta Charles Lindbergh in L’aquila solitaria di Billy Wilder, rievocazione della prima trasvolata oceanica (20/21 maggio 1927), New York-Parigi in trentatré ore e mezza en solitaire.

Negli anni Sessanta interpreta altri western - Cavalcarono insieme (1961) di John Ford, in cui recita con Richard Widmark, L’uomo che uccise Liberty Valance (1962), anch’esso diretto da John Ford ed in cui recita con John Wayne e Lee Marvin, La conquista del West (1962) di Henry Hathaway, John Ford e George Marshall, Il grande sentiero (19649 di John Ford -, cui seguono Il volo della Fenice (1965) di Robert Aldrich ed alcuni western minori - Shenandoah - La valle dell’onore (1965),  Rancho Bravo (1967), Bandolero (1968),  L’uomo dinamite (1971) tutti e quattro diretti da Andrew V. McLagen

Nel ’61 presta la sua voce off per Il leggendario X-15 di Richard Donner.

Fra gli altri film ricordiamo Chiamate Nord 777 (1948) di Henry Hathaway, La strada della felicità (1948) di John Huston e George Stevens, Malesia (1949) di Richard Thorpe, con Spencer Tracy, Ritorno del campione (1949) di Sam Wood, La fortuna si diverte (1950) di Walter Lang, Il viaggio indimenticabile (1951) di Henry Koster, Carabina Williams (1952) di R. Thorpe, La baia del tuono (1953), La storia di Glenn Miller (1954) e Aquile nell’infinito (1955) di Anthony Mann, La commedia Una strega in paradiso (1958) di Richard Quine, in cui recita nuovamente con Kim Novak pochi mesi dopo il già citato La donna che visse de volte di Alfred Hitchcock, Sono un agente F. B. I. (1959) di Mervyn LeRoy Tempesta sulla Cina (1960) di Daniel Mann, le commedie Mister Hobbs va in vacanza (1962), Prendila è mia (1962) e Erasmo il lentigginoso (1963) di Henry Koster, il western L’ora della furia (1968) di Vincent McEveety, con Henry Fonda, e La parodia Non stuzzicate i cowboys che dormono (1970) di Gene Kelly, in cui recita nuovamente con H. Fonda.

Fra i film rifiutati o che non ha potuto interpretare in quanto già impegnato su altri set, ricordiamo il western Dove la terra scotta (1958) di Anthony Mann, con Gary Cooper, il thriller Intrigo internazionale (1959) di Alfred Hitchcock, con Cary Grant, il già citato Il buio oltre la siepe di Robert Mulligan, con Gregory Peck, Il giorno più lungo (1962) di Ken Annakin, Il mucchio selvaggio (1969) di Sam Peckinpah, rifiutato anche da altri sette attori (Burt Lancaster, Kirk Douglas, Robert Mitchum, Richard Widmark, Lee Marvin, James Coburn e Richard Boone) prima che William accettasse la parte.

Nel 1972-73 interpreta la miniserie televisiva Hawkins, sospesa dopo una dozzina di episodi.

Nel 1977-78 i suoi ultimi ruoli cinematografici: Il pistolero (1977) di Don Siegel, in cui recita nuovamente con John Wayne (al suo ultimo film), Airport 77 (1977), Marlowe indaga (1978) di Michael Winner, con Robert Mitchum, il disneyano La più bella avventura di Lassie (1978) di Don Chaffey.

Negli anni successivi apparirà solo in un film televisivo (all'inizio degli anni Ottanta) ed in alcuni documentari dedicati alla storia di Hollywood. Nel 1985 viene premiato con l'Oscar alla Carriera. Nel '91 presta la sua voce off per il cartone animato Fievel conquista il West di Phil Nibbellink e Simon Wells. Nello stesso anno pubblica la sua autobiografia ed un libro contro la colorazione dei film in bianco e nero.