Родился в штате Виргиния. Окончил Дэвидсон-колледж в Дареме в штате Северная Каролина, в конце Второй мировой войны служил в армии. После войны окончил Университет Дьюка (Duke University), где в 1947 году получил степень бакалавра искусств по английскому языку. В дальнейшем Стайрон работал в издательстве McGraw-Hill.
Его первый роман «Ложимся во мрак» (Lie Down in Darkness), опубликованный в 1951 году, повествовал о самоубийстве молодой женщины, о котором размышляет её отец. Произведение получило положительные отзывы литературных критиков.
В начале 1950-х годов перебрался в Европу, где в 1953 году стал одним из основателей журнала Paris Review.
В 1967 году вышел роман «Признания Ната Тернера» (The Confessions of Nat Turner), вызвавший острые дискуссии и принесший писателю Пулитцеровскую премию. Роман выдержал несколько переизданий, его перевели на 20 языков. В основу романа положены события восстания американских чернокожих рабов под предводительством баптистского проповедника Ната Тёрнера в 1831 году. Предсмертную исповедь Тёрнера, выступление которого привело к смерти около 50 белых мужчин, женщин и детей, записал его адвокат Томас Грей. Главный герой романа изображался религиозным фанатиком, преследуемым фантазиями о сексуальном насилии над красивой 18-летней белой девушкой Маргарет. Убив её, Тёрнер начинает сомневаться в своей правоте. После выхода книги чернокожие писатели подвергли её критике, обвинив автора в расизме и игнорировании исторических фактов. В СССР роман долгое время не издавался, «Литературная газета» опубликовала рецензию марксиста Герберта Аптекера, обвинявшего автора в искажении «образа народного героя».
Неоднозначную реакцию (среди евреев) также вызвал следующий крупный роман Стайрона «Выбор Софи» (Sophie’s Choice, 1979), в котором рассказывается о польке, пережившей нацистский концлагерь Освенцим. Её еврейский любовник Натан обвиняет героиню в том, что она осталась жива. В 1983 году роман был экранизирован, актриса Мерил Стрип получила «Оскар» за роль Софи.
Последний его роман «Путь воина» вышел в 2001 году. Писатель работал над ним с перерывами около десяти лет.
Стайрон умер 1 ноября 2006 года в возрасте 81 года от пневмонии.