Na arenie Hollywood liczącym „graczem” stał się dzięki dramatowi „Blizny przeszłości”, do którego napisał nagrodzony Oscarem scenariusz, który sam wyreżyserował i którego był gwiazdą. W masowej wyobraźni najbardziej zapisał się jako wytatuowany aktor- rockman tworzący barwną parę z Angeliną Jolie.

Urodził się 4 sierpnia 1955 roku w Hot Springs w stanie Arkansas, jako William Robert Thornton. Wychowywał się w niezamożnej rodzinie, jako najstarszy z czwórki braci.

Karierę w show-biznesie zaczynał jako muzyk – perkusista i wokalista grupy Tres Hombres. Kontynuując muzyczne pasje również podczas pobytu w Los Angeles, gdzie przeprowadził się wraz ze szkolnym kolegą, Tomem Eppersonem pod koniec lat 70-tych, przez kilka lat bezskutecznie próbowali sprzedać scenariusze ich wspólnego autorstwa oraz rozpocząć aktorską karierę. Na szczęśliwą passę musiał jednak trochę poczekać.

Jako aktor debiutował dopiero w 1987 roku w rozpowszechnianym wyłącznie na video horrorze „Myśliwska krew”.

Dwa lata później pojawił się u boku Adama Sandlera w komedii „Ahoj dziewczyny” (1989), by po „żołnierskim” epizodzie w „Dla naszych chłopców” (1991) Marka Rydella dać się zauważyć w większej roli w filmie sensacyjnym „Jeden fałszywy ruch” (1992), do którego scenariusz napisał wspólnie z Eppersonem.

Wystąpił w znanych produkcjach: „Niemoralna propozycja” (1993) Adriana Lyne’a, „Na zabójczej ziemi” (1994) Stevena Seagala i „Truposz” (1995) Jima Jarmuscha, by chwilę później odnieść sukces dzięki „Bliznom przeszłości” (1996) z Robertem Duvallem.

Film przyniósł mu Oscara za scenariusz, nominację do Nagrody Akademii za Najlepszą Rolę Męską, Independent Spirit Award dla Najlepszego Filmu oraz kilka nagród krytyków.

Przede wszystkim sprawił jednak, że o Thorntonie zaczęło być głośno w środowisku.

W 1997 roku Duvall zrewanżował się koledze, zapraszając go na plan filmu „Apostoł” we własnej reżyserii.

Później Thornton wystąpił m.in. w „Armageddonie” (1998) z Brucem Willisem, w „Barwach kampanii” (1998) Mike’a Nicholsa oraz w thrillerze kryminalnym „Prosty plan” Sama Raimiego (1998, nominacja do Oscara i Złotego Globu za Najlepszą Rolę Drugoplanową, liczne nagrody krytyków), a w latach 2000-2001 ponownie stanął po drugiej stronie kamery, realizując kolejno: „Rącze konie” i czarną komedię „Zdrowie taty”.

Mimo gwiazdorskiej obsady zarówno pierwszego (Penélope Cruz, Matt Damon), jak i drugiego filmu (Laura Dern, Jamie Lee Curtis, Ben Affleck), nie cieszyły się one zbyt dużą sławą.

Większym echem odbił się powstały w oparciu o scenariusz duetu Thornton- Epperson obraz „Dotyk przeznaczenia” (2000) w reżyserii Sama Raimiego.

Początek nowego tysiąclecia to szczytowy okres popularności aktora, głównie ze względu na budzące medialne zainteresowanie małżeństwo z Jolie oraz występy w tak znanych produkcjach, jak komedia kryminalna Barry’ego Levinsona „Włamanie na śniadanie” z Brucem Willisem i Cate Blanchett (2001, nominacja do Złotego Globu), „Człowiek, którego nie było” braci Coen (2001, nominacja do Złotego Globu), „Czekając na wyrok” (2001) Marka Forstera z Oscarową Halle Berry i Heathem Ledgerem, znana komedia „Bad Santa” (2003, nominacja do Złotego Globu), czy epizod w roli prezydenta USA w komedii romantycznej „To właśnie miłość” (2003) z Hugh Grantem.

W 2003 roku ponownie spotkał się z braćmi Coen na planie „Okrucieństwa nie do przyjęcia” z George’em Clooneyem i Catherine Zetą Jones.

To także rok rozwodu z piękną Angeliną i jednoczesny spadek popularności aktora, który od tej pory pojawiał się co prawda regularnie na ekranie, jednak w mało znaczących filmach, takich jak m.in. historyczny western „Alamo” (2004), dramat sportowy „Światła stadionów” (2004) i w komediach: „Drużyna specjalnej troski” (2005) Richarda Linklatera, „Szkoła dla drani” (2006), czy „Facet od W-F’u” (2007). W 2009 roku zagrał w filmie "Informers", a rok później w "W pogoni za zemstą".

W 2004 roku otrzymał swoją gwiazdę na Hollywood Walk of Fame.