Samuel Wilder, tal su verdadero nombre, ingresó en la Universidad de Viena con la intención de estudiar Derecho, pero renunció a la vida académica para trabajar como reportero en un periódico de gran tirada en la capital austriaca. Luego de adquirir experiencia en ese oficio, viajó a Berlín, donde se incorporó a la redacción del principal diario de la ciudad.
Consiguió su primera oportunidad como guionista con la película Menschen am Sonntag (Los hombres del domingo, 1929), de Robert Siodmak. Más tarde, intervino en los guiones de muchas otras películas alemanas, sobre todo para la U. F. A (principal estudio de cine alemán durante la República de Weimar), pero en 1933, tras la llegada de Hitler al poder, huyó a París, donde codirigió un film protagonizado por Danielle Darrieux: Curvas peligrosas (1933).
Al año siguiente se instaló en Estados Unidos. Su familia, de origen judío, permaneció en Europa y desaparecieron en campos de concentración. Billy Wilder llegó a Hollywood sin dominar el idioma y casi sin dinero. Compartió alquiler con Peter Lorre y durante un tiempo apenas pudo sobrevivir con los escasos ingresos que le proporcionaban sus colaboraciones intermitentes como guionista, primero para Columbia y luego para la Twentieth-Century Fox.
Su carrera dio un giro espectacular cuando es convocado por Paramount en 1937 y comienza una fructífera colaboración con Charles Brackett en La octava mujer de Barba Azul (Ernst Lubitseh, 1938). De dicha colaboración surgió una larga sucesión de éxitos y algunos de los guiones más brillantes del cine americano de finales de los 30 y 40. Tras haber triunfado como dupla de guionistas en comedias sofisticadas como Medianoche (Mitchell Leisen, 1939), Ninotchka (Ernst Lubitsch, 1939) y Bola de fuego (Howard Hawks, 1941), Wilder y Brackett ampliaron su colaboración, a partir de 1942, a la de productor-director-guionista, en la cual Wilder asumía el papel de realizador y Brackett el de productor, mientras que ambos eran sus propios guionistas.
Wilder obtuvo el Oscar al mejor director con Días sin huella (1945), un drama amargo y sin concesiones en torno al alcoholismo por el que también compartió un Oscar como guionista con Brackett. La película fue calificada como la mejor del año. La asociación Brackett-Wilder culminó en 1950 con la formidable El crepúsculo de los dioses, premiada con el Oscar a la Mejor Dirección y Mejor Guión Original. El gran carnaval (1951) fue uno de los fracasos comerciales más estrepitosos de la carrera de Wilder, aunque fue bien por parte de la crítica. Le siguieron Traidor en el infierno (1953), una mezcla de thriller y comedia cuya acción se desarrolla en un campo de prisioneros de guerra, y Sabrina (1954), una deliciosa comedia romántica protagonizada por Audrey Hepburn, William Holden y Humphrey Bogart.
A partir de 1955, Wilder se convirtió en productor-director independiente con La tentación vive arriba, corrosiva sátira del American Way of Life y las obsesiones sexuales del americano promedio. Después de hacer El héroe solitario (1957) adaptación de la autobiografía del aviador Charles A. Lindbergh, Wilder volvió a la comedia romántica con Ariane (1957).
En 1960, Wilder ganó su tercer Oscar como director con otra obra maestra: El apartamento, que también fue calificada como la mejor película del año. El film obtuvo además el Oscar al mejor guión, compartido por Wilder y por su colaborador habitual desde finales de los 50: I.A.L. Diamond. Al año siguiente, los dos arremetieron contra la guerra fría y la política en la frenética, ácida e hilarante Un, dos, tres, protagonizada por James Cagney. Wilder invirtió cuatro años en la preparación y realización de La vida privada de Sherlock Holmes (1970), una de sus películas más personales, pero también una de las decepciones más amargas de su carrera. La United Artists no quiso estrenarla con su metraje original y Wilder se vio obligado a mutilarla drásticamente. El film fue un fracaso tanto crítico como comercial en su momento.
En 1974, contratado por la Universal, dirigió Primera plana, tercera adaptación cinematográfica de la célebre obra teatral de Ben Hecht y Charles MacArthur. Tres años después, la Universal le rescindió el contrato y Wilder regresó a la producción independiente con Fedora. Su último film es Aquí un amigo (1981), una comedia negra.
En una entrevista realizada en 1975, que Maurice Zolotow reproduce en su libro Billy Wilder in Hollywood, el director de Irma la dulce hace un diagnóstico tan cáustico como certero del estado del cine americano y de la industria hollywoodense: “Es un suplicio encontrar hoy día un proyecto que me interese y que al mismo tiempo pueda tener éxito en el mercado actual… Ahora nos enfrentamos a un público que en su mayoría tiene menos de 25 años y carece de toda tradición literaria. Prefieren la violencia sin sentido a una trama sólida; las palabras de cuatro letras a un diálogo inteligente; el desarrollo pectoral al desarrollo de los personajes. Ya nadie escucha. Simplemente se sientan ahí, esperando que se les asalte con una sucesión de choques y sensaciones … Corren tiempos difíciles. Emst Lubitsch, que era capaz de sacarle mayor partido a una puerta cerrada del que la mayoría de los directores de hoy pueden sacarle a una bragueta abierta, hubiera tenido serios problemas en este mercado … “