Billie Eilish naît à Los Angeles le 18 décembre 2001 de Maggie et Patrick O’Connell, tous deux passionnés de musique. Elle a un frère aîné, Finneas. Pour favoriser leur créativité et resserrer les liens entre leurs enfants, les parents éduquent Billie et son frère à la maison. Ils grandissent dans l’amour de la musique : tandis que leur père leur fait découvrir des groupes de différents styles, comme The Beatles et Linkin Park, leur mère leur apprend le solfège. A l’âge de 8 ans, Billie Eilish pousse ses premières vocalises dans le chœur des enfants de Los Angeles. Par ailleurs, elle pratique l’équitation et la danse. Mais c’est le chant qu’elle préfère. Quelques années plus tard, elle commence à écrire et chanter ses propres chansons, influencée par des artistes comme Lana Del Rey, mais aussi de nombreux artistes du hip-hop et du R&B comme Drake, Miguel et Earl Sweatshirt. Elle prend alors exemple sur son frère qui est déjà musicien dans un groupe.
C’est avec son frère que Billie Eilish signe sa première collaboration. En 2016, Finneas O’Connell lui demande en effet de poser sa voix sur l’une de ses compositions : "Ocean Eyes". Posté sur SoundCloud, le morceau fait fureur : à seulement 14 ans, Billie Eilish impressionne par la gravité de ses textes tandis que la musique pop rêveuse et épurée de son frère séduit les mélomanes."Ocean Eyes" sort officiellement en novembre 2016 et devient disque de platine. Elle est aussi jouée plus de 176 millions de fois sur Spotify et plus de 100 millions de fois sur YouTube. En février 2017, la jeune artiste sort "Bellyache", un nouveau single coécrit et produit par son frère. La chanson rencontre le succès dans les pays anglo-saxons. La même année, Billie Eilish sort six autres singles, tous couronnés de succès : "Bored" (que l’on peut entendre dans la saison 1 de "13 Reasons Why"), "Watch", "Copycat", "Idontwannabeyouanymore" et "Bitches Broken Hearts". Une partie de ces titres figure sur son premier EP : "Don’t Smile at Me", qui sort le 11 août 2017.
Après une première tournée en 2018 et la sortie de plusieurs singles comme "You Should See Me in a Crown" puis "When the Party’s Over", Billie Eilish sort son premier album en mars 2019 intitulé "When we all fall asleep, where do we go ?".Le disque atteint la première place des écoutes dans quinze pays et à seulement 17 ans, Billie Eilish devient alors la première artiste née dans les années 2000 à se classer numéro 1. En mai 2019, elle entame une tournée de 19 concerts à travers l’Amérique du Nord, le When We All Fall Asleep Tour. Billie Eilish enchaîne tournées et singles et sort son deuxième album "Happier than ever" en 2021, qui lui aussi connait un immense succès. Elle compose et interprète également la chanson de générique éponyme du film "No Time to Die", le dernier James Bond, pour lequel elle obtient l'oscar de la meilleur chanson originale. Billie Eilish est aussi la première artiste féminine à obtenir en une cérémonie 4 Grammy's Award dans les catégories les plus prestigieuses (album de l'année, meilleur nouvel artiste, chanson de l'année, meilleur enregistrement).