Né dans l'Illinois, aîné de trois enfants, William Holden est le fils d'une institutrice, Mary Blanche, et d'un chimiste industriel, William Franklin Beedle Sr. La famille déménage àSouth Pasadena, enCalifornie, quand il a trois ans. Diplômé de l'école South Pasadena, il entre aucollège communautaire Pasadena Junior pour continuer ses études scientifiques et participe à despièces radiophoniques pour une radio locale. Contrairement à la légende, il n'a pas étudié à la Pasadena Playhouse et n'a pas été repéré dans une pièce de théâtre qu'il y jouait.
Il part ensuite àNew York avec un ami, abandonnant ses études. Il débute àBroadway grâce àRobert Ben Ali qui lui fait jouer à vingt ans un personnage qui en a soixante de plus dans sa pièceManya. Holden est alors repéré par Milton Lewis, un chasseur de talents au service de la puissanteParamount Pictures, qui lui offre un contrat pour six mois. En 1939, il interprète un violoniste devenu boxeur aux côtés deBarbara Stanwyck dansL'Esclave aux mains d'or. Ce rôle de tout premier plan le fait remarquer mais il n'enchaîne ensuite que des rôles dans des productions mineures de la Paramount et deColumbia Pictures. Pendant laSeconde Guerre mondiale, il sert comme lieutenant dans laFirst Motion Picture Unit(en), une unité de l'armée de l'air destinée à la production de films d'instruction. En 1941, il épouse l'actriceBrenda Marshall et devient père de deux enfants : Peter (né en 1943) et Scott (né en 1946). Ils divorceront en 1971.
William Holden renoue avec le succès en 1950 grâce àBilly Wilder qui l'engage pour le légendaireBoulevard du crépuscule aux côtés de la mythiqueGloria Swanson. Son rôle, à contre-emploi, de scénariste malchanceux lui vaut une nomination à l'Oscar du meilleur acteur. Le film est aujourd'hui classé parmi les plus grands films de l'histoire du cinéma. Il s'impose en star populaire l'année suivante dansComment l'esprit vient aux femmes avecJudy Holliday, un film deGeorge Cukor. Deux ans plus tard, fort de sa nouvelle renommée, il tourne dansStalag 17 deBilly Wilder. Cette fois, c'est la consécration et il obtient l'Oscar du meilleur acteur. Sa popularité grandit, notamment auprès des femmes. Il est élu « Star masculine la plus populaire de l'année » par les lecteurs du magazinePhotoplay en 1954 et 1955.
S'il se rend souvent au Kenya, Holden continue néanmoins à tourner dans des grandes productions hollywoodiennes. En 1964, il retrouve péniblementAudrey Hepburn pourDeux têtes folles :« J'ai réalisé que j'allais être obligé de revoir Audrey et de prendre en main mon problème d'alcool, or je ne me sentais capable d'affronter ni l'une ni l'autre de ces situations. » Alors qu'il est marié, sa liaison avecCapucine, un ancienmannequin français[2], n'arrange pas les choses. Il arrive souvent ivre sur le tournage, et doit même s'arrêter de tourner quelques jours[3].
Alcoolique notoire de longue date, William Holden n'a jamais réussi à surmonter son problème et connaît une fin tragique : d'après le rapport du médecin légiste ducomté de Los Angeles, il est seul et ivre dans son appartement de Santa Monica, le, quand il chute et s'ouvre le front sur le rebord de sa table de chevet, saignant à mort. Des preuves indiquent qu'il reste conscient au moins une heure et demie après sa chute. Il est probable qu'il ne se soit pas rendu compte de la gravité de la blessure et n'a pas demandé d'aide, ou n'en a pas été capable[4]. Son corps est retrouvé le, soit quatre jours après sa mort. Sa dépouille est incinérée et ses cendres sont dispersées dans l'océan Pacifique. Quelques mois plus tard,Barbara Stanwyck en recevant sonOscar d'honneur lui rend hommage par ces mots :« Je l'aimais beaucoup et il me manque. Il a toujours souhaité que j'aie cet Oscar. Alors ce soir, mon Golden Boy, ton vœu se réalise. »
