Nació en el seno de una familia acomodada. Su padre era químico industrial, y su madre, profesora. Cuando William tenía tres años, la familia se trasladó a Pasadena (California).

En 1937, mientras estaba aún en la universidad, William Holden fue contratado por un estudio cinematográfico. Su primer papel, de carácter secundario, fue al año siguiente en Prison Farm y su primera interpretación como protagonista la realizó un año más tarde en Sueño dorado (Golden Boy).

Billy Wilder lo llamó para protagonizar Sunset Boulevard, donde interpretó a un guionista en horas bajas que es capturado por una estrella del cine mudo, interpretada por Gloria Swanson. Holden ganó su primera nominación al Oscar de Mejor Actor con su actuación.