Уильям Диксон родился 3 августа 1860 года во Франции, в семье эмигрантов из Англии. Мать: Элизабет Кеннеди Лоури (1823—1879). Отец: Джеймс Вайт Диксон — артист, астроном и лингвист.
После смерти отца семья Диксонов приняла решение переехать в Великобританию.
Диксон увлекался наукой и механикой и надеялся работать в лаборатории известного американского изобретателя Томаса Эдисона. Когда семья переехала в США, Уильям Диксон получил желаемую работу в компании Эдисона.
Занимался разработкой фонографа, но также интересовался «движущимися картинками». Некоторые из его идей были реализованы, например, 35 мм стандарт для киноплёнки, состав эмульсии для плёнки и др. Известен также как изобретатель мутоскопа (устройство, напоминающее барабан, внутри которого устанавливался диск с фотографиями; при вращении диска фотографии "оживали"). В 1893 году Диксон доработал своё изобретение и ушёл от Эдисона, чтобы начать собственное дело.
Умер 28 сентября 1935 года в Великобритании в возрасте 75 лет.