Nelson en zijn zus Bobbie Lee werden, nadat hun vader overleden en hun moeder weggelopen was, door hun grootouders opgevoed. Nelson kreeg vanaf zijn zesde jaar muziekles via een schriftelijke cursus. Hij leerde gitaarspelen, zijn zus speelde piano. Tijdens hun middelbareschooltijd leerde Bobbie Bud Fletcher kennen, een violist, en zowel Willie als Bobbie gingen deel uit maken van Fletchers muziekgezelschap "The Bohemian Fiddlers".

Na zijn eindexamen moest Nelson in dienst, en hij ging bij de luchtmacht. Hij verliet de luchtmacht echter al snel in verband met rugklachten. Na zijn korte diensttijd ging Nelson een jaar naar de universiteit maar hield ook dat voor gezien. Uiteindelijk werd hij diskjockey bij een country radiozender in Fort Worth, Texas. Ook zong hij af en toe country liedjes in de plaatselijke cafés. In 1956 verhuisde hij naar Vancouver, Washington en begon zijn muzikale carrière vorm te krijgen. Hij nam een nummer van Leon Payne op ("Lumberjack"). De single verkocht redelijk maar brak niet echt door. Nelson bleef dj-werk doen en zong regelmatig in clubs en cafés. Hij schreef een liedje ("Family Bible") en verkocht dat voor vijftig dollar, en dat nummer werd een hit voor Claude Grey in 1960. Het werd naderhand ook door veel artiesten gecoverd en word door velen beschouwd als een gospel klassieker.

Nelson verhuisde naar Nashville (Tennessee) in een poging een platencontract te krijgen. Dat lukte aanvankelijk echter niet. Hij tekende wel een contract met Pamper Music die zijn liedjes wel zagen zitten, maar zijn performance niet. Zo schreef hij onder andere het nummer Night Life voor zanger Ray Price, een nummer dat als meest-gecoverde countrysong ooit te boek staat. Nelson ging mee op tournee met Price, als bassist van de toerband. Gedurende deze periode werden veel van Nelson's nummers hits voor andere artiesten. Zo zong Billy Walker het nummer "Funny How Time Slips Away", Faron Young zong "Hello Walls", Roy Orbison zong "Pretty Paper", en (wellicht de bekendste van allemaal) Patsy Cline zong "Crazy". Uiteindelijk sloot Nelson in 1961 een platendeal met Liberty Records en bracht hij vanaf datzelfde jaar diverse singles uit, waaronder "Willingly" en "Touch Me" (beiden met zijn vrouw Shirley Collie). Hij wist deze lijn echter niet voort te zetten en zijn carrière kwam tot stilstand. Zijn privéleven was destijds ook nogal kleurrijk: hij was alcoholist, verloor baan na baan en werd verschillende keren betrapt op verboden wapenbezit.

In 1965 kwam Nelson onder contract bij RCA Records, en scoorde hij een paar kleine hits. Hij raakte echter gefrustreerd door de platenindustrie die hem in een keurslijf probeerde te dwingen, verbrak zijn contract, keerde de muziekwereld de rug toe en verhuisde naar Austin, Texas. Daar aangekomen besloot Nelson, geïnspireerd door de muziekscene aldaar, weer muziek te gaan maken. Zijn populariteit in Austin groeide razendsnel, en Nelson kon zijn eigen muziek maken, beïnvloed door rock and roll, jazz, swing en folk. Ook Nelson's levenslange passie voor hardlopen begon in deze periode in Austin.

In Austin tekende Nelson een contract met Atlantic Records. Hij bracht in 1973 een single uit ("Shotgun Willie") die uitstekende kritieken kreeg maar slechts matig verkocht. Het album "Phases and Stages" uit 1974 (geïnspireerd door zijn echtscheiding) bevatte de single "Bloody Mary Morning". Na dit album verhuisde Nelson weer van platenlabel en ging naar Columbia Records. Hier kreeg hij complete creatieve vrijheid over zijn werk. Het resultaat was het immens populaire album Red Headed Stranger (1975). Hoewel Columbia Records het in eerste instantie niet zag zitten om een album uit te brengen met slechts piano en gitaar, zette Nelson (ondersteund door Waylon Jennings) door, en het album werd een enorme hit, deels vanwege de populaire coverversie van het nummer "Blue Eyes Crying In The Rain".

Tegelijk met Nelson behaalde ook Waylon Jennings grote successen aan het begin van de jaren zeventig. De twee werden al snel in één adem genoemd in een genre dat bekend werd als "Outlaw country" ("outlaw" vanwege het feit dat het zich niet hield aan de Nashville-standaard). Nelson's imago van "outlaw" (letterlijk: vogelvrij verklaarde) kreeg nog meer gestalte toen in 1976 hij samen met Waylon Jennings, Jessie Colter en Tompall Glaser het album "Wanted: The Outlaws" uitbracht. Dit album werd een groot succes en werd met platina bekroond. Hierna bracht Nelson nog twee albums uit die beiden de platina status behaalden: "Waylon and Willie" (met Waylon Jennings), en "Stardust", een album vol met ongebruikelijke, op strijkinstrumenten gebaseerde popnummers die geproduceerd waren door Booker T. Jones. Veel critici voorspelden dat "Stardust" Nelsons carrière zou ruïneren, maar uiteindelijk bleek het één van zijn meest succesvolle albums te zijn.

Nelson begon in 1979 met acteren. Hij had rollen in "The Electric Horseman", "Honeysuckle Rose", "Barbarossa", "Red-Headed Stranger", "Wag the Dog" en "Gone Fishin". In 1986 acteerde hij in de film "Stagecoach", naast Johnny Cash, Kris Kristofferson en Waylon Jennings, waarmee hij later ook de country-supergroep The Highwaymen vormde. Nelson acteert nog steeds, maar treedt tegenwoordig meestal aan in kleine rollen. Ook gastoptredens zoals bijvoorbeeld in Miami Vice en The Simpsons gaat Nelson niet uit de weg. Zijn meest recente filmoptreden is zijn rol van Uncle JesseThe Dukes of Hazzard. Ook in de voor 2007 geplande opvolger "The Dukes of Hazzard: Return of General Lee" speelt Nelson mee. in de bioscoop-remake van

In de jaren tachtig had Nelson diverse hits. Hij zong "Always On My Mind" de hitparades in, en ook het duet "To All The Girls I've Loved Before" (met Julio Iglesias) haalde wereldwijd hoge hitnoteringen. Ook zijn albums uit deze periode verkochten goed.

Medio jaren tachtig vormde Nelson samen met Kris Kristofferson, Waylon Jennings en Johnny Cash de supergroep "The Highwaymen". Ondanks hun enorme succes (platina albums, wereldtoernees) taande Nelson's populariteit en moest hij het al snel hebben van liefdadigheidswerk zoals het op poten zetten van de "Farm Aid" concerten in 1985. Hij werd ook berucht vanwege zijn excessieve uitgaven: hij bezat een privé-vliegtuig, een eigen (kleine) stad, een enorm landgoed en een eigen golfbaan.

In 1990 kreeg Nelson van de IRS (de Amerikaanse inkomstenbelastingen) echter een aanslag voor achterstallige belastingen en moest hij $16.7 miljoen ophoesten. Hij kon dit slechts betalen door zijn bezittingen van de hand te doen. Hij bracht een dubbelalbum uit ("The IRS Tapes: Who'll Buy My Memories?"), waarvan de opbrengsten rechtstreeks naar de IRS gingen. Veel van zijn bezittingen werden geveild en verkocht aan vrienden die het hem vervolgens weer teruggaven of voor een symbolisch bedrag aan hem verhuurden. In 1993 had hij al zijn schulden afbetaald.

In september 2006 werd Nelson in Louisiana aangehouden voor het bezit van drugs. In de tourbus van zijn band vond de politie 100 gram 'magic mushrooms' en 700 gram marihuana.^[1] Nelson werd snel weer vrijgelaten, maar zal zich voor de rechtbank moeten verantwoorden.

In 2005 vormde Nelson samen met twee zakenpartners het bedrijf Willie Nelson's Biodiesel (ook bekend als "BioWillie"). Dit bedrijf verkoopt biologische brandstof aan tankstations. De brandstof wordt gemaakt van soja-olie en kan in dieselmotoren worden gebruikt zonder dat die daarvoor aangepast dienen te worden. Nelson maakt ook deel uit van een adviescommissie die poogt het gebruik van Cannabis te normaliseren. In 2005 organiseerde Nelson samen met zijn familie een benefiet-golftoernooi om de problematiek veroorzaakt door illegale verkoop van softdrugs onder de aandacht te brengen. Nelson lijkt zelf niet helemaal onbekend met het fenomeen: het gerucht gaat dat hij tijdens een bezoek aan president Jimmy Carter op het dak van het Witte Huis een blowtje heeft gerookt.

In januari 2005 trad Nelson als slotact op tijdens een benefietconcert waarvan de opbrengsten ($120.000.-) naar de door de tsunami getroffen gebieden in Zuid-Oost Azië gingen.

Nelson is vier keer getrouwd geweest en heeft zeven kinderen. Uit zijn eerste huwelijk met Martha Matthews heeft hij drie kinderen - Lana, Susie en Billy (overleden in 1991. Nelson scheidde van Matthews in 1962. Van 1963 tot 1971 was hij getrouwd met Shirley Collie. Dit huwelijk bleef kinderloos. In 1971 trouwde hij met Connie Koepke. Zij kreeg twee dochters, Paula Carlene en Amy. Het paar scheidde in 1988. Sinds 1991 is Nelson getrouwd met Annie D'Angelo. Ze hebben twee zoons, Lukas Autry en Jacob Micah.