Issu d'une famille tournée vers le football américain (son père était journaliste sportif et repérait les talents en NFL, son grand-père était le premier joueur de couleur au sein de la George Westinghouse High School, lui-même travaillait pour les Pittsburgh Steelers dans sa jeunesse), Bill Nunn se tourne vers la comédie durant ses études et fait quelques apparitions au cinéma et à la télévision au début des années 80 avant de croiser le chemin de Spike Lee.

Le réalisateur lui confie ainsi un rôle dans son deuxième long métrage, School Daze (1988), inspiré de leur passage sur le campus de Morehouse, avant de le retrouver dans Do The Right Thing (1989) dans le rôle de Radio Raheem / Radio Barjo dont la mort va exacerber les tensions communautaires, dans Mo' Better Blues (1990) au sein du Bleek Quintet de Denzel Washington, et dans He Got Game (1998) dans le rôle de l'Oncle Bubba qui héberge Ray Allen et Zelda Harris.

Au-delà du cinéma de Spike Lee, Bill Nunn s'impose comme un second rôle solide à Hollywood durant les années 80/90, apparaissant entre autres en garde du corps dans New Jack City, en rééducateur touchant d'Harrison Ford dans A propos d'Henry, en inspecteur débonnaire dans Sister Act, en détective privé dans Last Seduction ou encore en éditeur du Daily Bugle aux côtés de l'irascible J. Jonah Jameson (J.K. Simmons) dans la trilogie Spider-Man de Sam Raimi. Sur petit écran, il est régulier dans les séries The Job (2000-2001) et Sirens (2014-2015).

De 2008 à sa disparition en 2016, Bill Nunn a porté le Bill Nunn Theatre Outreach Project, une fondation aidant les jeunes de la région de Pittsburgh à accéder au théâtre et à des bourses universitaires.