Billy Chapin n'est âgé que de quelques semaines lorsqu'il participe à ses premiers longs-métrages. Il est tout simplement "le bébé" dans deux productions de prestige emmenées par Gary Cooper et Lana Turner. Mais il n'est pas le seul enfant de la famille à être précipité ainsi dans le show-business dès sa plus tendre enfance. Son frère Michael et sa soeur Lauren courent eux aussi les castings avec lui sous l'impulsion de leur mère.

Le jeune Billy ne tarde pas à se faire remarquer sur les planches, et triomphe même dans la pièce "l Three Wishes for Jamie", où sa prestation lui vaut le New York Drama Critics Award de la révélation de l'année 1951. Cette récompense lui ouvre les portes d'Hollywood, et il donne successivement la réplique à Sterling Hayden, Victor Mature et Ann Bancroft dans des films de bonne facture.

Après quelques expériences à la télévision, le jeune acteur est choisi par Charles Laughton pour incarner le garçon qui, avec sa soeur, tente d'échapper au dangereux psychopathe incarné par Robert Mitchum dans La Nuit du chasseur. Selon la légende, sur le plateau de ce film devenu culte, Mitchum prend sous son aile les deux enfants et les dirige bien souvent à la place de Laughton, passablement agacé par les bambins. Grâce à son aîné, Chapin donne le meilleur de lui-même.

Mais l'acteur ne jouera plus que dans un seul long-métrage, le western de série B Tension à Rock City. Après quelques rôles à la télévision, il met fin à sa carrière à la fin des années 1950. On perd alors la trace de Billy Chapin. Sa soeur révélera dans son autobriographie l'alcoolisme de son fère et l'enfance malheureuse qu'ils vécurent sous le joug d'une mère autoritaire.