Билл Мюррей родился и вырос в Уилметте (США, Иллинойс). Он был пятым из девяти детей в семье ирландских католиков Эдварда Мюррея (Edward Murray) и Люсиль Дойл (Lucille Doyle). Трое из его братьев — Джон Мюррей, Джоэль Мюррей и Брайан Дойл-Мюррей — также являются актёрами.
Родители-ирландцы отправили детей в иезуитскую школу, однако учёба Мюррея практически не занимала. Гораздо интереснее было драться с одноклассниками, рисовать карикатуры на учителей, играть в школьном театре и заглядываться на девчонок, которые там выступали. Положение не изменилось и тогда, когда Мюррей поступил в медицинский колледж в Колорадо. Билл практически не бывал на занятиях, баловался марихуаной и нередко ночевал в полицейском участке. А чего только стоит его выходка в Денверском аэропорту, когда он решил пошутить и заявил, что в его багаже спрятана бомба. Охрана поспешила обыскать Мюррея, но вместо бомбы обнаружила марихуану. После этого случая Билла исключили из колледжа. Мюррей вернулся в Чикаго, где некоторое время перебивался случайными заработками, пока не попал в знаменитую чикагскую актёрскую студию Second City.
Вскоре Мюррею предложили стать одним из ведущих шоу «Субботним вечером в прямом эфире». Эта передача завоевала такую популярность, что Мюррея пригласили в Голливуд. Первым успехом актёра можно считать роль второго плана в известной комедии «Тутси», после которой о Мюррее заговорили критики. А уже в 1984 году, снявшись в фантастической комедии «Охотники за привидениями», Мюррей вознёсся на самую вершину голливудского Олимпа.
Успехом пользовались и последующие картины с участием Мюррея, а комедия «День сурка» и вовсе приобрела статус культовой. Мюррею как нельзя лучше удался образ слегка уставшего от жизни, ироничного и даже циничного, но в глубине души доброго и порядочного человека. Этот фильм закрепил за Мюрреем репутацию одного из талантливейших американских комиков. В то же время после «Дня сурка» в карьере Мюррея наступил спад: следующие пять лет у него практически не было интересных ролей.
В конце 90-х в карьере Мюррея начался новый этап: он начал исполнять драматические роли в независимом американском кино, снимаясь у таких режиссёров как Уэс Андерсон («Академия Рашмор», «Водная жизнь») и Джим Джармуш («Кофе и сигареты», «Сломанные цветы»). Особо следует отметить психологическую мелодраму «Трудности перевода» о взаимоотношениях двух одиноких американцев — пожилого мужчины (которого, собственно говоря, и сыграл Мюррей) и молодой девушки (эту роль сыграла Скарлетт Йоханссон) — оказавшихся в чужой для них Японии. Эта роль принесла Биллу «Золотой глобус» и номинацию на «Оскар».