Bill Pullman ya había tenido varias participaciones pequeñas en cine y en series, pero empezó a tener papeles destacados desde 1993, cuando apareció en varias películas como la comedia romántica Sintonía de amor (1993), en el drama Sommersby (1993) y en los thrillers Malicia (1993) y The last seduction (1993). Su fama aumentó definitivamente cuando protagonizó junto a Sandra Bullock la comedia romántica Mientras dormías (1995) y la comedia familiar Casper (1995). Tan solo un año después formó parte del elenco principal de otro éxito de taquilla: Día de la independencia (1996), donde compartió créditos con Will Smith y Jeff Goldblum. Al año siguiente protagonizó junto a Patricia Arquette la película Por el lado oscuro del camino (1997) y desde entonces ha aparecido en películas como Scary Movie 4: Descuartizados de miedo (2006), Operación ultra (2015) y La batalla de los sexos (2017). Desde el 2017 forma parte del elenco de la serie de misterio The Sinner, donde interpreta el papel del detective Harry Ambrose, el cual le ha valido el reconocimiento de la crítica.