Билли Боб Торнтон родился в семье спортивного тренера Билли Рэя Торнтона в местечке Хот-Спрингз, штат Арканзас. В жилах актера течет кровь ирландских предков отца, а также индейских и итальянских пращуров со стороны матери. Мать актера Вирджиния — профессиональный экстрасенс.

В школе он хотел стать музыкантом и играл на барабанах в группе "Stone Cold fever". Потом даже начал карьеру певца в коллективе "Tres Hombres".
Торнтон — большой поклонник европейского футбола. Болеет за британский клуб "Ливерпуль". Из всех городов мира больше всего любит Париж, где у него даже есть собственный пентхаус. Полуголодная молодость подорвала его здоровье: пару раз приходилось лечить сердце. Из-за этого он стал ипохондриком и ныне страдает целым букетом фобий. Наиболее известная фобия Торнтона — паническая боязнь полетов. Самая экзотическая — страх перед антикварной мебелью. У актера 4 родных детей. У Торнтона на теле как минимум 6 татуировок, преимущественно на руках. Мэр родного городка актера постановил увековечить имя их знаменитого соотечественника путем объявления одного из дней в году Днем Билли Боба Торнтона. В 2001 году актер поборол одну из многочисленных вредных привычек — бросил курить.