Willen (William) Dafoe es hijo de un cirujano y de una enfermera. Tiene cinco hermanas y dos hermanos.
Sus primeros pasos como actor los dio en la Universidad de Wisconsin, en Milwaukee. Con posterioridad se trasladó a Nueva York, ciudad en la cual se unió a varias compañías teatrales, como Theatre X y Wooster Group, estos últimos dedicados al teatro de vanguardia.
Tras casarse en 1977 con la directora de teatro Elizabeth LeCompte, Willem Dafoe debutó en el cine sin acreditar en la película de Michael Cimino "La puerta del cielo" (1980).
Gracias a títulos como "Calles de fuego" (1984), "Platoon" (1986), "La última tentación de Cristo" (1988), "Arde Mississippi" (1988), “La última tentación de Cristo” (1988) de Martin Scorsese o "Nacido el cuatro de Julio" (1989), Willem Dafoe consiguió la fama internacional, principalmente a raíz de su papel en “Platoon”, film bélico dirigido por Oliver Stone por el cual fue nominado como mejor actor secundario al Oscar. Conseguiría la estatuilla Michael Caine por “Hannah y sus hermanas”. En los años 90 pudo ser visto en películas como “Corazón salvaje” (1991) de David Lynch, acompañando a Madonna en “El cuerpo del delito” (1993), un thriller erótico dirigido por Uli Edel, encarnando al poeta Tom Eliot en “Tom & Viv” (1994), o formando parte del reparto de la escarizada “El paciente inglés” (1996), película dirigida por Anthony Minghella.