Walter Hill étudie à l'Université du Michigan puis travaille dans le bâtiment avant de se lancer, en 1967, dans le cinéma. Il commence par être réalisateur 2ème équipe sur L'Affaire Thomas Crown et Bullitt puis passe à l'écriture au début des années 70. Hill scénarise Le Guet-Apens pour Sam Peckinpah d'après le roman de Jim Thompson puis écrit d'autres longs métrages avant de passer à la mise en scène en 1975 avec Le Bagarreur, un drame sur fond de boxe avec Charles Bronson.

Walter Hill s'attèle ensuite au polar nerveux avec Driver puis réalise un film depuis devenu culte, Les Guerriers de la nuit (1979) dans lequel il suit un gang confronté à la violence nocturne de New York. La même année, il produit et scénarise Alien, le huitieme passager de Ridley Scott.

En 1980, le metteur en scène aborde le western, genre qu'il affectionne le plus, avec Le Gang des frères James. Il reviendra au genre de manière détournée dans Extrême préjudice. En 1982, il réalise l'un de ses plus gros succès : 48 heures avec Eddie Murphy et Nick Nolte, Grand Prix du Festival du film Policier de Cognac 1983. Hill réinvente avec ce film le sous-genre du Buddy-Movie. Deux ans plus tard, il signe une fantaisie rock'n roll, Les Rues de feu, mais n'obtient pas le succès escompté. C'est Double Détente (1988) et 48 heures de plus (1990) qui le réconcilient avec son public.

Le cinéaste revient au western authentique en 1993 avec Geronimo puis en 1995 avec Wild Bill. Malheureusement, ces deux films se soldent par des échecs au box-office. Tout comme l'efficace Dernier recours porté par Bruce Willis l'année suivante. En 2000, le très mauvais film de science-fiction Supernova (sur lequel plusieurs réalisateurs se succèdent) porte un coup encore plus décisif à sa carrière. Dans la foulée, il réalise Un seul deviendra invincible, un film de boxe se déroulant dans un univers carcéral avec Wesley Snipes et Ving Rhames. Là encore, le succès n'est pas au rendez-vous.

Walter Hill met ensuite sa carrière de metteur en scène entre parenthèses pendant de longues années, se contentant de réaliser un épisode de série (Deadwood) et produisant quelques longs métrages (Alien vs. Predator, Prometheus). Le cinéaste fait son grand retour en 2013, plus de dix ans après son dernier film. Il livre ainsi Du Plomb dans la tête, film d'action musclé mettant en scène Sylvester Stallone en tueur à gages contraint de faire équipe avec un jeune flic fougueux de New-York (Sung Kang).