A dél-karolinai Conwayben született 1948. március 17-én. Az édesapját hatévesen vesztette el, édesanyját pedig tizenkét évvel később. Ezek a veszteségek jelentősen meghatározták a későbbi életét: édesanyja halálát követően kiiratkozott az iskolából és Kaliforniába, majd később Európába utazott, és az ellenkultúra híve lett. 1967-ben Kanadában telepedett le azzal a szándékkal, hogy elkerülje a besorozást, és kipróbálja a létező összes tudatmódosító szert. Itt ismerkedett meg Deborah Jean Thompsonnal, aki elkísérte a későbbi európai útjaira (például sok időt töltöttek Görögország szigetvilágában és Isztambulban), majd 1972-ben összeházasodtak, és azóta is együtt élnek.
Gibson egészen fiatal kora óta író szeretett volna lenni, William S. Burroughs különösen nagy hatással volt rá. Korai rövid történeteit az Izzó króm című novelláskötet őrzi. A komolyabb írásra John Shirley bátorította, akivel az 1980-as évek legelején ismerkedett meg egy vancouveri sci-fi-összejövetelen, és mindmáig jóbarátok. Ő mutatta be később Bruce Sterlingnek és Lewis Shinernek; ma négyüket tartják a cyberpunk irányzat első íróinak Gibsonnal az élen, aki az évtizedet a Sprawl-trilógiával (1984: Neuromancer, 1986: Count Zero, 1988: Mona Lisa Overdrive) tette műfajtörténeti szempontból megkerülhetetlenné. A Neuromancer volt az első regény, amely a Hugo-, a Nebula- és a Philip K. Dick-díjat egyaránt megkapta.
Gibson azóta még két trilógiát írt, melyek a szakírók és rajongók szerint pontos előrejelzések voltak a közeljövőt illetően: míg az 1990-es években megjelent Híd-trilógia (1993: Virtuálfény, 1996: Idoru, 1999: A holnap tegnapja) hackerek, multinacionális cégek és mesterséges intelligenciák helyett a tömegmédiára és a celebkultuszra fókuszál, addig a Blue Ant-trilógia (2002: Trendvadász, 2007: Árnyvilág, 2010: Nyomtalanul) a 9/11 utáni politikai hangulatról, osztályok közötti határvonalakról, öntudatról, márkaépítésről és globalizációról szól. Ekkorra Gibsonnak már az írói stílusa is megváltozott: a tudományos-fantasztikus stíluselemek helyett a realista esztétika jellemző rá. Ezért sok cyberpunk gyökerű rajongója fejezi ki nemtetszését mindmáig, de Gibson mégis ennek köszönhetően nőtt ki a sci-fi zsáneréből és vált világhírű kortárs íróvá.
Gibson legutóbbi regénye 2020-ban jelent meg Mozgástér címmel, míg a Sprawl-trilógia kötetei új magyar fordítást kaptak 2021-ben.