Bill Butler débute en tant que caméraman en 1959. Il devient dès la décennie suivante un directeur de la photographie réputé. Son travail est apprécié dans Les gens de la pluie (1969) de Francis Ford Coppola, Vas-y, fonce (1971) de Jack Nicholson, Conversation secrète (Coppola, 1974) ou Les dents de la mer (1975) de Steven Spielberg.
Butler est nommé à l’Oscar pour Vol au-dessus d’un nid de coucou (1975) de Miloš Forman. On le retrouve aux génériques de Damien : La malédiction II (Taylor, Hodges, 1978) et Grease (Kleiser, 1978).
Sylvester Stallone fait appel à lui pour les volets 2, 3 et 4 de la saga Rocky, mais il peut aussi éclairer des films indépendants, comme Big Trouble (Cassavetes, Bergman, 1986). Par la suite, Butler est le chef opérateur de diverses productions dont Jeu d’enfant (1988) de Tom Holland, Hot Shots ! (1991) de Jim Abrahams, Le suspect idéal (frères Pate, 1997), Emprise (2001) de Bill Paxton et Redline (2009) de Richard Dutcher.
Il reçoit en 2003 un prix pour l’ensemble de sa carrière décerné par l’American Society of Cinematographers et se retire en 2016. Bill Butler est décédé le 5 avril 2023 à l’âge de 101 ans.