Né sur une base américaine à Idar-Oberstein en Allemagne de l'Ouest où son père, un soldat américain, était affecté, Bruce Willis passe le reste de son enfance dans le New Jersey. Au Collège d'Etat de Montclair, il s'adonne à la musique, joue de l'harmonica et suit les cours de la section théâtrale. A partir de 1977, il se produit sur les scènes new-yorkaises tout en gagnant sa vie comme barman et comme figurant (Le Verdict, 1982).

C'est grâce au feuilleton Clair de lune (1985-1989) qu'il parvient à une notoriété immédiate (il est lauréat pour cette série d'un Emmy Award et d'un Golden Globe) et qu'il acquiert, aux côtés de Kim Basinger, un premier grand rôle au cinéma, dans Boire et déboires (1987) de Blake Edwards. La même année, Bruce trouve son rôle le plus célèbre, celui de John McClane, le policier tenace de Piège de cristal. Au cours de la décennie suivante, le comédien redonnera ses traits à ce personnage dans deux autres épisodes : 58 minutes pour vivre (1990) de Renny Harlin et Une journée en enfer (1995) de John McTiernan. Son salaire avoisine désormais les quinze millions de dollars, ce qui ne l'empêche pas de jouer dans des œuvres plus intimistes comme Un héros comme tant d'autres (1989) de Norman Jewison.

Mais le succès ne dure qu'un temps, et au début des années 90, Bruce Willis accumule les échecs commerciaux : Le Bûcher des vanités (1991), Hudson Hawk, gentleman cambrioleur (id.), La Mort vous va si bien (1992) ou encore Piège en eaux troubles (1993). Au creux de la vague, l'acteur doit son salut à Quentin Tarantino qui lui offre un de ses plus beaux rôles, celui du boxeur Butch, dans le cultissime Pulp fiction (Palme d'Or 1994). Presque malgré lui, il se fait bientôt étiqueter "sauveur de l'Humanité" en s'illustrant dans trois grosses productions où il a le destin de notre planète entre ses mains : L'Armée des 12 singes (1996), Le Cinquième élément (1997), et Armageddon (1998). Ces succès compensent largement quelques-unes de ses prestations qui n'ont pas remporté les faveurs du public, comme Breakfast of champions (1999).

Las de son image d'action man, Bruce Willis s'engage dans la voie du thriller surnaturel en tournant à deux reprises sous la direction de M. Night Shyamalan. Pour lui, l'acteur endosse le costume d'un énigmatique psychanalyste (Sixième sens, 1999), avant de revêtir la panoplie d'un super-héros en pleine crise d'identité (Incassable, 2000). Après quelques comédies légères (Une vie à deux, Mon voisin le tueur, Bandits), l'acteur s'illustre dans un registre plus "guerrier" : officier américain dans un camp de prisonniers allemand pour les besoins de Mission évasion (2002), il est à la tête d'un commando secret dans Les Larmes du soleil (2003).

Bruce Willis s'implique également dans la production avec l'envie d'apporter une dimension dramatique à ses rôles. Se tournant à nouveau vers l'action, il accorde pleinement sa confiance à trois spécialistes du genre : Florent Siri qui l'imagine en négociateur dans Otage (2005), Robert Rodriguez qui l'invite à peupler son très sombre Sin City (id.), et Richard Donner qui en fait un flic en cavale dans 16 blocs (2006). Plus étonnant, toujours du côté de la production, Willis participe à The Hip Hop Project (id.), un documentaire musical. Si les années 2000 ne lui permettent pas de renouer avec son succès colossal des années 1990, le comédien endosse d'autres fonctions dans l'élaboration d'un film, ce qui ne l'empêche pas d'enchaîner les rôles avec un rythme soutenu.

En 2006, Bruce Willis apparaît au casting du dérangeant Fast Food Nation de Richard Linklater où il donne la réplique à Ethan Hawke et Avril Lavigne avant de revenir à des rôles plus familiers. L'année suivante, il joue aux côtés de Sharon Stone et Justin Timberlake dans Alpha Dog de Nick Cassavetes, avant de rejoindre la belle Halle Berry sur le tournage de Dangereuse séduction de James Foley. Mais 2007 marque surtout le retour de John McClane... Douze ans après le dernier opus de la saga, Une journée en enfer, Bruce Willis reprend du service dans Die Hard 4 - retour en enfer réalisé par Len Wiseman. Après avoir dirigé des militaires renégats dans le long métrage de science-fiction Planète terreur, Bruce combat des Clones (2008) sous la direction de Jonathan Mostow.

L'année suivante, le comédien tourne avec Tracy Morgan la comédie musclée Top Cops et fait une apparition éclair dans Expendables (2010) de son ami Sylvester Stallone. 2010 marque le retour de Bruce Willis au pur film d'action, dans la peau d'un agent de la CIA retraité, obligé de reprendre du service pour défendre sa vie (Red, qui donnera lieu à une suite en 2013). Agent un jour, agent toujours, il devient de nouveau un agent secret en cavale pour les besoins de Sans Issue (2012), réalisé par le Français Mabrouk el Mechri. Si Bruce Willis s'enrôle dans le musclé G.I. Joe 2 dont la sortie est repoussée à 2013 (il est Joseph Colton, le G.I. Joe originel), il joue également un personnage central dans le poétique Moonrise Kingdom de Wes Anderson.

L'année 2012 est une nouvelle fois placée sous le signe de l'action. Bruce reprend son rôle de Church dans le blockbuster boosté à la testostérone Expendables 2, toujours aux côtés de Sylvester Stallone et Arnold Schwarzenegger. Le comédien campe également un Joseph Gordon-Levitt âgé dans Looper de Rian Johnson, film de science-fiction où Bruce se fait pourchasser par lui-même version jeune. En 2013, l'acteur reprend le rôle culte qui a fait de lui une star, celui de John McClane pour les 5èmes aventures du justicier dans Die Hard : belle journée pour mourir. Cette fois-ci, McClane a un équipier de choix en la personne de son fils, Jack, interprété par Jai Courtney. On le retrouve l'année suivante à l'affiche d'une autre suite : Sin City : j'ai tué pour elle. 

En parallèle de ses rôles dans des franchises, il commence au milieu des années 2010 à enchaîner les direct-to-dvd d'action avec une cadence impressionnante. On le voit dans des films oubliables comme Vice, Extraction, Precious Cargo, Marauders, L.A. Rush et First Kill. En 2018, le remake d'Un justicier dans la ville, Death Wish, lui permet de revenir sur le devant de la scène. 

Mais ce sont surtout ses retrouvailles avec M. Night Shyamalan en 2019 qui créent l'événement. Pour Glass, le dernier volet d'une trilogie consacrée au mythe du super-héros, Bruce Willis reprend son rôle d'Incassable, aux côtés de Samuel L. Jackson et James McAvoy. Il apparaît également dans la première réalisation d'Edward Norton, Brooklyn Affairs, qui marque son dernier grand rôle au cinéma.

En effet, le comédien poursuit ensuite dans les films à très petits budgets à raison de 6 ou 7 par an jusqu'en mars 2022, lorsque sa famille révèle qu'il est atteint d'aphasie, un trouble du langage causé par des lésions cérébrales, et qu'il met fin à sa carrière.