Née à Swindon (Royaume Uni), Billie Paul Piper est l’aînée d’une fratrie de quatre enfants. Elle passe son adolescence à Londres, où elle fréquente l’école de théâtre Sylvia Young de 12 à 15 ans. Elle fait sa première apparition au cinéma en 1997 dans Evita, d’Alan Parker, avec à l’affiche Madonna et Antonio Banderas. Castée pour tourner dans une publicité pour le magazine Smash Hits en 1998, l’adolescente est immédiatement repérée par des producteurs de musique, qui lancent sa carrière sous le nom de Billie : une popstar est née. Son premier single Because we want to est directement classé numéro un dans les charts anglais et son premier album, Honey to the B est lancé aux Etats-Unis et en Asie. En 2000, elle enregistre son deuxième album, Walk of Life, sous son nom complet, Billie Piper. Malgré de bons retours, l’album ne sort pas aux Etats-Unis, et Billie prend la décision de faire une pause dans sa carrière de chanteuse. Elle décide de la stopper définitivement en 2003, pour se consacrer à son ambition première : devenir actrice.

Très motivée, elle prend à nouveau des cours de théâtre à Londres et décroche l’un des rôles principaux dans le téléfilm Bella and the Boys en 2004. Elle donne ensuite la réplique à Orlando Bloom dans Calcium Kid, et obtient un rôle dans la comédie romantique Things to Do Before You're 30 en 2005. La même année, elle fait une apparition dans le film d’horreur Spirit Trap. Elle saisit dans la foulée une opportunité qui va réellement lancer sa carrière : durant deux saisons, elle interprète Rose Tyler, la compagne du docteur dans la série Doctor Who, aux côtés de Christopher Eccleston, puis David Tennant. Ce rôle la propulse sur le devant de la scène, et lui offre plusieurs nominations et awards au Royaume Uni. Après son départ de la série en 2006, elle fait quelques apparitions, deux ans plus tard, dans la saison 4.

Pour tenter de faire oublier Doctor Who, Piper endosse en 2006 le rôle de Sally Lockhart dans deux téléfilms : The Ruby in the Smoke et The Shadow in the North. Elle interprète ensuite Fanny Price, l’héroïne du roman de Jane Austen, Mansfield Park.

En 2007, Billie devient l’héroïne de la série britannique Journal intime d'une call girl, adaptée d’un livre autobiographique du même nom publié sous le pseudonyme Belle de Jour. Elle y incarne une jeune londonienne qui mène une double vie : Hannah, qui se présente comme une secrétaire, est en secret Belle, une call girl de luxe prête à tout pour assouvir les fantasmes de ces messieurs. Son personnage n’hésite pas à s’adresser directement aux téléspectateurs, à la manière d’un journal intime. La série s’arrête en 2011, à l’issue de quatre saisons sulfureuses.

Forte de son expérience à la télévision, Billie Piper continue son chemin et interprète en 2010 Betty, une femme au foyer des années 50 dans A Passionate Woman, série de deux épisodes diffusée en avril 2010 sur BBC.