Willis ble født på en militærbase i Idar-Oberstein i Vest-Tyskland der faren tjenestegjorde. Hans far var amerikansk og moren tysk fra Kassel. Han behersker lite tysk. Willis vokste opp i Penns Grove i New Jersey etter at familien flyttet dit i 1957. Siden flyttet han til New York for å bli skuespiller. Willis var gift med Demi Moore fra 1987 til 2000 og sammen fikk de tre barn: Rumer, Scout og Tallulah. Willis giftet seg med Emma Heming i 2009.