Bill Kaulitz naît à Leipzig dans la Saxe (10 minutes après son frère Tom), qui se trouve alors en RDA, deux mois avant la chute du mur de Berlin. Il grandit dans un petit village, Loitsche, proche de Magdebourg. Ses parents (Simone Kaulitz, artiste-peintre et Jörg Wieger, chauffeur routier) divorcent alors que lui et son frère jumeau Tom n'ont que 6 ans. La chanson Gegen meinen Willen (« Contre ma volonté ») traite des sentiments d'un enfant confronté au divorce de ses parents.

C'est dès l'âge de 6 ans que Bill commence à écrire ses premiers textes de chansons. C'est aussi au même âge qu'il assiste à son premier concert en 1996, accompagné par sa mère et sa grand-mère. Il découvre la chanteuse allemande très populaire Nena qui pour lui, devient une véritable référence. À la fin d'un concert de celle-ci, il annoncera à sa mère qu'il voudrait devenir chanteur plus tard, celle-ci ne le prend pas au sérieux, elle se trompe. Il aura la chance de participer avec son idole au tournage de Arthur et les Minimoys de Luc Besson, quelques années plus tard.

Quelques années après son divorce, la mère des jumeaux se remaria avec Gordon Trümper à Rügen en 2009, guitariste dans un groupe de punk-rock baptisé Fatun. Ce dernier ne manque pas d'encourager les deux garçons à faire carrière dans la musique. Dès la jeunesse de Tom, il lui apprend à se servir d'une guitare. Le tandem voix-cordes, que forment alors respectivement Bill et Tom, fonctionne plutôt bien. C'est à l'âge de 10 ans en 1999 qu'ils vont créer la chanson Leb' die Sekunde (« Vis la seconde ») ainsi que la chanson Schrei so laut du kannst (« Crie aussi fort que tu peux »). Leur duo s'appelait alors « Black Question Mark ».

En 2001, Bill et Tom rencontrent Gustav Schäfer et Georg Listing lors d'un concert dans leur ville de Magdebourg, ils formeront alors ensemble Devilish. En 2003, après avoir perdu un pari avec son frère, Bill participe à l'émission de télévision Star Search dans laquelle il est éliminé en finale (son score était de 35 points contre 38 pour celui de son concurrent), après avoir chanté It's Raining Men. Son charisme a largement emballé les foules, mais surtout séduit le producteur Peter Hoffmann (du jury) qui va jusqu'à Magdebourg pour assister à l'un des shows du groupe Devilish. Hoffmann décide de prendre le quatuor sous son aile et fait appel à trois autres producteurs. Ensemble, ils vont canaliser l'énergie et le talent du groupe, leur apprendre la technique du studio et développer le son Tokio Hotel. Devilish devient Tokio Hotel en 2005.

Avec un certain charisme, une aisance face aux médias et une assurance sur scène, Bill s'est retrouvé comme le leader du groupe.

En 2006, Bill a doublé la voix allemande d'Arthur, dans Arthur et les Minimoys (Arthur und die Minimoys) de Luc Besson avec Nena qui a doublé la voix de Sélénia.

En 2007, Bill doit faire face à un scandale médiatique. Selon la rumeur, il aurait révélé son homosexualité sur la page Myspace du groupe le soir de ses 18 ans alors qu'il était saoul. Sous la pression du producteur le message a été retiré et Bill a assuré que tout cela était faux, d'une absurdité totale et que ce canular était ridicule. Mais Bill a été bon nombre de fois sujet aux rumeurs les plus folles annonçant entre autres sa mort et son homosexualité8. (En 2014, il avoue « trouver difficile de se limiter à un seul genre ou à une seule religion par exemple »). Bill s'est fait opérer d'un kyste aux cordes vocales le 30 mars 2008, alors que le groupe était en pleine tournée européenne « 1000 Hotels European Tour ». Devenu aphone, Bill a dû interrompre le concert de Marseille le 14 mars 2008. Les 16 dates suivantes de la tournée ont dû être annulées. Après sa convalescence sur le mois d'avril 2008, Bill est remonté sur scène au festival Bamboozle dans le New Jersey le 3 mai 2008.

Sa statue de cire est entrée au Musée Tussauds de Berlin, le 30 septembre 2008. Il est alors le plus jeune artiste a y avoir sa propre statue de cire.

Dès la fin 2008 et ce jusqu’en août 2009, Bill se retire de la vie publique pour se concentrer sur la production d’un nouvel album. Il écrit notamment environ quarante textes de chanson en 2008 et 2009. Dès le début de 2009, Bill travaille avec son frère Tom Kaulitz (compositeur) sur les arrangements musicaux de vingt-cinq titres. Il poursuit ce travail en 2009 avec l’équipe des quatre producteurs allemands habituels, dont David Jost, leur manager. Ils collaborent avec The Matrix pour quatre chansons et Guy Chambers pour deux titres. The Matrix est le trio producteurs américains (dont Lauren Christy) qui a produit des albums pour Avril Lavigne, Christina Aguilera et Korn. Guy Chambers est un producteur anglais, connu pour sa longue collaboration avec Robbie Williams. Sur les vingt-cinq chansons, seize sont retenues pour constituer l’album Humanoid, dont quatorze sont produites en anglais et en allemand.

Les jumeaux Kaulitz sont coproducteurs de l’album Humanoid.

Bill réapparaîtra fin août 2009 avec le groupe Tokio Hotel, à Cologne en Allemagne, où ils donnent un concert privé au cours duquel ils chantent leur premier single de l’album (Automatisch en allemand et Automatic en anglais), qui ne sortira que courant septembre 2009.

L'album Humanoid sort le 2 octobre 2009 dans le monde entier dans deux versions (anglais et allemand). Leur tournée européenne « Welcome To Humanoid City Tour » suit, du 22 février 2010 au 14 avril 2010.

Le 5 novembre 2009, alors qu’il se rend dans sa propre voiture, à la cérémonie des MTV European Music Awards à Berlin, Bill est victime d’un accident de la route sur l’autoroute qui relie Hambourg à Berlin. Il en sort indemne, alors que sa voiture finit à la casse. Le soir même, il interprète sur la scène de l’O2 world de Berlin, le nouveau single du groupe World Behind My Wall dans une mise en scène spectaculaire, bien que son entourage lui conseillait d’annuler cette performance. Le groupe Tokio Hotel recevra lors de cette cérémonie, le prestigieux prix du meilleur groupe (en compétition avec U2 et Green Day).

Le 22 novembre 2009, Bill Kaulitz apparaît à la première du film de Luc Besson Arthur et la Vengeance de Maltazard au Cinestar de la Potsdamer Platz de Berlin. Il a une nouvelle fois doublé la voix d’Arthur dans ce second volet, pour la version allemande.

En 2010, à l'occasion de la Fashion Week à Milan, Bill fait ses premiers pas de mannequin en défilant pour la marque Dsquared² de la collection Automne-Hiver 2010-2011, la marque des jumeaux designers canadiens Dean et Dan Caten12. Il réalise ainsi l'un de ses rêves. Dsquared² habille Bill pour la tournée Humanoid, en lui confectionnant cinq tenues de scène, sur le thème du show et de l'album Humanoid. Lors du défilé à Milan, Bill a porté sa tenue de scène.

Fin 2010, la maison qu'il partage avec son frère Tom à Hambourg est cambriolée. Un mois plus tard, les jumeaux s'envolent pour Los Angeles et s'y installent, afin de se rapprocher de leur producteur et manager David Jost, avec lequel ils commencent à travailler sur un nouvel album.

En février 2011, Bill Kaulitz collabore avec le groupe américain Far East Movement sur le titre If I Die Tomorrow, sur l'album Dirty Bass. Le single est sorti le 18 mai 2012. Il signe ici sa deuxième collaboration, après le duo Strange, interprété pour la BO d'Alice au pays des merveilles avec la chanteuse Kerli.

Début 2013, Bill fait partie du jury de la Nouvelle Star allemande Deutschland sucht den SuperStar, avec son frère jumeau Tom Kaulitz.

En 2013, Tokio Hotel commence à préparer son retour sur la grande scène en participant à la chanson I Am, en collaboration avec plusieurs autres artistes, dont Rock Mafia. Bill crée son compte Instagram, où il annoncera toutes les nouvelles en lien avec le nouvel album, qui sort finalement le 6 octobre 2014 (Le 3 en Allemagne). Cet album est nommé Kings Of Suburbia et a un style plus électro-rock. La tournée qui l’accompagne, le Feel It All World Tour à plusieurs parties, dont la partie 1 qui se déroula uniquement dans des petites salles de certaines villes d'Europe, durant le mois de mars 2015. La 2ème partie se déroule aux États-Unis, en Amérique Latine et en Europe de l'Est. Le 20 novembre 2014, Bill Kaulitz participe entre temps à la reprise de la chanson Imagine, du chanteur britannique John Lennon avec plusieurs artistes pour l'UNICEF.

Début 2017, Tokio Hotel annonce la sortie pour le 3 mars du nouvel album intitulé Dream Machine. Il est composé de 10 chansons inédites en anglais, comme Something New et What If. La tournée Dream Machine Tour débute 9 jours plus tard, avec 30 concerts partout en Europe et Europe de l'Est.

Le 21 juillet 2017, Bill annonce sur son compte Instagram que le groupe reviendra pour une dizaine de dates supplémentaires au mois de novembre de cette même année, en passant par l'Allemagne, le Luxembourg, les Pays-Bas, l'Italie et bien évidemment la France.

Le 18 août 2017, Treehouse Ticketing poste une annonce sur instagram, le groupe fera une date supplémentaire à Berlin le 18 novembre.

Le 29 novembre 2017, Tokio Hotel annonce sur sa page Facebook le lancement en avant première d’une nouvelle collection de vêtements baptisée « Magdeburg - Los Angeles »18, celle-ci a fait l'objet d'une présentation privée dans une boutique à Berlin, The Store. Un nouveau site est également mis en ligne.

En 2019, Bill Kaulitz participe à l'émission de mode Germany's Next Topmodel (en) en tant que juge invité, aux côtés de la mannequin germano-américaine, Heidi Klum.

Le 11 Juillet 2019, il lance son premier défilé de mode de sa marque MDLA. Le 14 novembre 201924, il deviendra membre du jury dans l'émission Queen of Drags aux côtés du chanteur autrichien Conchita Wurst et de la mannequin germano-américaine Heidi Klum, l'émission sera diffusée sur la chaîne TV allemande ProSieben.

A believe City, Bill a eu une petite histoire avec Joane Jackson, fille adoptive de Michaël Jackson. Puis, il deviendra son meilleur ami.