Ceni artystyczną niezależność. Najważniejsza jest dla niego sztuka mimiki i gestu, mniej słowo. Mówi o sobie: "jestem aktorem biologicznym".

Wychowywał się w katolickiej rodzinie. Ma siedmioro rodzeństwa. Porzucił studia na University of Wisconsin w Milwaukee dla występów w "Theatre X". W latach 70. ta eksperymentalna grupa teatralna odbyła dobrze przyjęte tournée po Europie. W 1977 r. przeniósł się do Nowego Jorku. Przez krótki okres związany był z "Performance Group", w którym poznał dyrektora artystycznego i reżyserkę Elizabeth LeCompte. Rok później oboje przenieśli się do "The Wooster Group", w którym Dafoe do dziś pracuje jako reżyser.

Debiutował w filmie Michaela Cimino "Wrota niebios" (1980). Wystąpił w niewielkiej roli w soft-porno "New York Nights" (1981) Simona Nuchterna i w epizodzie w "Zagadce nieśmiertelności" (1983) Tony'ego Scotta. Przełomem okazał się film Waltera Hilla "Ulice ognia" (1984), w którym aktor wcielił się w przywódcę motocyklowego gangu.

Pierwszą poważną rolę zagrał w "Żyć i umrzeć w Los Angeles" (1985) Williama Friendkina. W 1986 Oliver Stone zaangażował go w swoim stanowiącym rozliczenie z wojną w Wietnamie filmie "Pluton". Producenci i reżyser filmu otrzymali Oscara. Dafoe, odtwórca roli szlachetnego sierżanta Eliasa, musiał zadowolić się nominacją do nagrody Amerykańskiej Akademii Filmowej i Independent Spirit Award. Oliver Stone spotkał się z aktorem również na planie filmu "Urodzony 4 lipca" (1989). W "Missisipi w ogniu" (1988) Alana Parkera Dafoe zagrał biurokratycznego agenta FBI.

Wiele kontrowersji wywołał film "Ostatnie kuszenie Chrystusa" (1988). Reżyser Martin Scorsese chciał ukazać ludzką stronę natury Jezusa, w którego wcielił się Dafoe. Równie burzliwą dyskusję wywołała zagrana przez Willema postać żydowskiego boksera Salmo Aroucha z filmu "Triumf ducha" (1990) Roberta M. Younga.

Na początku lat 90. wystąpił w filmie, który otrzymał miano utworu kultowego: "Dzikość serca" (1990) Davida Lyncha. Dafoe zagrał obmierzłego bandytę Bobby'ego Peru. Potem upomniało się o niego kino hollywoodzkie. Wystąpił w "Sidłach miłości" (1993) Uli Edela, "Stanie zagrożenia" (1995) Phillipa Noyce'a, i w "Speed 2" (1997) Jana De Bonta. W oscarowym "Angielskim pacjencie" (1997) Anthony'ego Minghelli wcielił się w postać tajemniczego Caravaggio. Zagrał także niewielką role niespełnionego artysty pracującego jako elektryk, w filmie o nowojorskiej bohemie artystycznej lat 80. pt."Basquiat" (1996) Juliana Schnabela. David Cronenberg zaprosił go w podróż po wirtualnym świecie filmu "eXistenZ" (1999). W "Americam Psycho" (2000) zagrał prywatnego detektywa. Wystąpił w “Bożych skrawakach (2001) Jurka Bogajewicza jako ksiądz, opiekujący się żydowskim chłopcem, ukrywającym się na podkrakowskiej wsi. Wraz z Johnem Malkovichem wystąpił w “Cieniu wampira” (2001). W “Spidermanie” (2002) zagrał przeciwnika człowieka-pająka, Zielonego Goblina, w “Pewnego razu w Meksyku: Desperado 2” (2003) wcielił się w postać Barilla. Wystąpił także w thrillerze “Rozrachunek” (2004), w “Aviatorze” (2004) Martina Scorsese, w filmie akcji “xXx 2: Następny poziom” (2005), w dramacie Larsa von Triera “Manderlay” (2005), w “Mr Ripley's Return” (2005), w filmie sensacyjnym “Inside Man” (2006). Zagrał rolę wiceprezydenta w “American Dreamz” (2006).

Za rolę w horrorze “Cień wampira” Dafoe był nominowany do Złotego Globu i Oskara, a otrzymał nagrodę Saturna. W 2002 przyznano mu nagrodę specjalną za wkład w rozwój sztuki filmowej Camerimage. W 2003 był nominowany do MTV Movie Award jako najlepszy czarny charakter.

Ze swoją długoletnią towarzyszką Elizabeth LeCompte ma syna Jacka. W 2005 r. ożenił się z Giadą Colagrande.

Pracował jako model dla domu mody Prada. Użycza swego głosu w reklamach.