William J. „Willem“ Dafoe wurde am 22. Juli in Appelton, Wisconsin geboren. Er ist das zweitjüngste von acht Kindern eines Chirurgen und einer Krankenschwester. Bereits als Jugendlicher begann Willem Dafoe Theater zu spielen und ging im Alter von 17 Jahren an die University of Wisconsin in Milwaukee, um Theaterwissenschaft zu studieren. Der Unterricht wurde ihm jedoch bald zu theoretisch und er schloss sich dem experimentellen Theatre X an, mit dem er bald durch Europa und die USA tourte.

1977 zog Willem Dafoe nach New York und wurde Mitglied der Theatergruppe Wooster Group, der er bis heute angehört. Die Leiterin des Ensembles, Elisabeth LeCompte wurde seine Lebensgefährtin. 1981 spielte er schließlich seine erste Rolle im legendären Western-Flop Heaven’s Gate von Michael Cimino. Willem Dafoes erster Erfolg sollte erst fünf Jahre später mit der Rolle des selbstlosen Sergeant Elias im Vietnamdrama Platoon von Oliver Stone kommen und bescherte ihm eine Oscar-Nominierung als bester Nebendarsteller. Im März 2005 heiratet er die zwanzig Jahre jüngere italienische Filmregisseurin Giada Colagrande.

Willem Dafoe ist bekannt für ein breites Spektrum an Rollen, das eine Einordnung nur schwer möglich macht. So spielte Willem Dafoe in Wild at Heart, Speed 2 - Cruise Control oder Spider-Man rein böse, überwiegend exzentrische Charaktere, andererseits in Platoon und Mississippi Burning – Die Wurzel des Hasses. Kontrovers diskutiert wurde auch Martin Scorseses Drama Die letzte Versuchung Christi, in dem er die Rolle des Jesus spielte. Als eine seiner erfolgreichsten Rollen gilt ebenfalls die Darstellung des Max Schreck in E. Elias Merhiges Shadow of the Vampire, für die Willem Dafoe im Jahr 2001 u. a. für den Oscar und den Golden Globe als bester Nebendarsteller nominiert war.