William Gibson est né en 1948 à Conway, près de Myrtle Beach en Caroline du Sud. Il a six ans lorsque son père (employé à la construction du complexe de recherche atomique de Oak Ridge) meurt en s'étouffant accidentellement. Sa mère décide alors de revenir s'installer dans sa famille, en Virginie. William Gibson vit ce déménagement comme un bond en arrière dans le passé. Introverti et assez mal intégré à la communauté locale, il devient un lecteur acharné et travaille à se créer ce qu'il appellera plus tard « une personnalité lovecraftienne ».
Sa mère a beaucoup de mal à l'élever seule. Surmontant avec difficulté son veuvage, elle décide en 1963 d'envoyer son fils en pension, à des milliers de kilomètres de chez lui, en Arizona. Un nouveau traumatisme que Gibson surmonte, une fois encore, par la lecture. Par hasard, en croyant acheter un roman de SF, il découvre les auteurs de la beat generation. En lisant Kerouac, Ginsberg, Burroughs, il va découvrir la contre-culture.
En 1966, sa mère meurt à son tour. Gibson a 18 ans, et voit ainsi se matérialiser l'une de ses pires angoisses. Désormais orphelin, il quitte l'école sans même passer son diplôme de fins d'études, et survit en revendant aux citadins des brocantes qu'il va chiner à la campagne.
En 1968, il s'enfuit au Canada pour éviter d'être envoyé au Viêt Nam et s'installe en 1972 à Vancouver. Il y reprend mollement ses études, voyage beaucoup et se marie. En 1977, ses études sur le point de s'achever, il voit sans grand enthousiasme la perspective d'avoir à se lancer dans le monde du travail. C'est à cette époque qu'il redécouvre sa vieille passion pour la SF, qui vient se greffer sur l'émergence d'une mouvance culturelle nouvelle : le punk. Il décide de devenir écrivain.
Désillusion, défiance du capitalisme, constat d'échec patent de la Contre-Culture, tout cela va l'entrainer vers une fiction sombre, en accord avec sa vision du monde. Une vision qu'il n'est pas le seul à avoir. D'autres jeunes auteurs partagent son point de vue. Comme lui ils portent un regard très critique sur la SF. Fédérés autour du fanzine Cheap Truth, édité et distribué gratuitement par Bruce Sterling, un mouvement informel se crée. Si tous les intervenants signent sous pseudonymes, on y retrouve des plumes comme Pat Cadigan, Rudy Rucker, Marc Laidlaw, Lewis Shiner, et Sterling lui-même, qui se retrouve, de fait, la tête pensante du mouvement.
Gibson, comme les autres, commence à écrire des nouvelles qui attirent l'attention. Ses premiers écrits sont des histoires futuristes sur des sujets comme l'influence de la cybernétique et de la réalité virtuelle alors émergente sur la race humaine dans un futur imminent. Surfant sur les styles punk et gothique de l'époque. La thématique du bidonville underground high-tech apparaît dès les Fragments of a Hologram Rose en 1977. Dans les années 1980 ses fictions se développent sur le mode du film noir ; des nouvelles publiées dans le magazine Omni commencèrent à esquisser les thèmes qu'il développera dans son premier roman, Neuromancien.
Constatant une certaine cohérence dans les thématiques, ce mouvement informel va prendre, sous la plume des critiques de l'époque, et notamment de Gardner R. Dozois, le rédacteur en chef de Asimov SF magazine, le nom de « Cyberpunk ».
C'est Gibson, avec Neuromancien, qui décroche le premier un immense succès littéraire. Succès qui va faire de lui la figure de proue du Cyberpunk. Neuromancien fut le premier roman à gagner les trois prix littéraires majeurs de la science-fiction : le prix Nebula, le prix Hugo et le prix Philip K. Dick. Les deux romans suivants complétèrent ce qui sera sa première trilogie communément appelée Sprawl Trilogy : Comte Zéro et Mona Lisa s'éclate. La seconde trilogie de William Gibson, appelée Bridge trilogy, se situe dans la ville de San Francisco dans un futur proche, mais évite les thèmes récurrents de l'auteur tels que la transcendance technologique, physique et spirituelle pour aborder un genre plus factuel que la première trilogie. Les trois romans de cette seconde trilogie sont : Lumière virtuelle, Idoru et All Tomorrow's Parties.
Plus récemment, William Gibson s'est quelque peu éloigné du genre des dystopies fictionnelles qui le rendirent célèbre pour davantage privilégier un style d'écriture plus réaliste, troquant les sauts narratifs caractéristiques de sa première manière contre un flux d'écriture plus continu. Mais il se focalise toujours sur les changements technologiques et leurs conséquences funestes et moins prévisibles sur la société.
Parallèlement à ses œuvres publiées par les moyens conventionnels, il écrivit {{Lien}} (A Book of the Dead), un poème électronique publié en 1992. Ce poème traitait de la nature éthérée des souvenirs (le titre faisant référence à un album photo), écrit en 1992 pour un livre d'artistes conçu en coopération avec le peintre {{Lien}} et l'éditeur Kevin Begos. Le livre était composé d'une disquette auto-effaçante conçue pour ne permettre qu'une seule lecture de l'œuvre. Comme William Gibson l'avait dit dans son blog, la disquette devait se « manger elle-même » après avoir été lue. Ensuite, le poème a été publié sur internet. William Gibson commença à rédiger son blog à partir de 2003 qui resta actif jusqu'en 2005, avec une seule grosse coupure. Gibson écrivit également quelques éléments d'anticipation pour Alien³ dont certains furent intégrés au film du même nom.
Deux de ses nouvelles ont été portées à l'écran : Johnny Mnemonic en 1995, avec Keanu Reeves et New Rose Hotel en 1998, avec Christopher Walken, Willem Dafoe et Asia Argento. William Gibson écrivit également en collaboration avec son ami Tom Maddox deux épisodes de la série X-Files : Clic mortel (Kill Switch) (saison 5) et Maitreya (First Person Shooter) (saison 7). Il fit par ailleurs une apparition à l'écran dans la mini-série Wild Palms, une série largement influencée par l'œuvre de Gibson et d'autres auteurs cyberpunk.
William Gibson, inventeur du terme cyberespace a reçu à ce titre un doctorat honorifique de sciences humaines, décerné par l'{{Lien}}, à Conway.
No Maps for These Territories, un documentaire de Mark Neale, centré sur la vision du monde de William Gibson, a inauguré le 21 siècle, au Festival international du film de Vancouver, en octobre 2000.