Bill Duke naît en 1943 à Poughkeepsie, dans l'État de New York, et grandit dans un quartier ouvrier. Il suit des études de théâtre et de cinéma, avant de devenir acteur dans les années 1970, jouant dans des films comme The Godfather Part II et Car Wash. Il passe à la réalisation en 1989 avec Un justicier dans la ville, un thriller policier avec Kevin Costner. Il enchaîne avec Le Flic de Beverly Hills 2 et Deep Cover, un film policier qui devient culte dans la communauté afro-américaine. Bill Duke alterne entre les rôles d'acteur et de réalisateur, s'imposant comme une figure majeure du cinéma noir américain. Il est également connu pour ses documentaires sur l'histoire des Noirs à Hollywood.
Bill Duke s'inspire du cinéma de Sidney Lumet, pour les récits de justice sociale et la tension psychologique. Il admire également le travail de Gordon Parks, pionnier du cinéma noir américain. Le cinéma de John Ford, pour les paysages et l'épopée, l'influence dans ses films d'action. Enfin, il est marqué par le cinéma de Spike Lee, pour son engagement politique.
Bill Duke privilégie une mise en scène sobre et efficace, avec une grande attention aux acteurs et aux dialogues. Il aime les plans fixes qui laissent les personnages s'exprimer, et les mouvements de caméra fluides pour les scènes d'action. Ses films sont souvent sombres, avec une photographie aux contrastes marqués, et il sait créer des atmosphères de tension et de suspense.
Bill Duke a reçu un NAACP Image Award pour la réalisation de Deep Cover. Il a également été nommé aux Emmy Awards pour son documentaire The African Americans. Il a reçu un prix d'honneur au Festival du film de Los Angeles pour l'ensemble de sa carrière.
Bill Duke travaille souvent avec l'acteur Laurence Fishburne, qu'il a dirigé dans Deep Cover et Hoodlum. Il collabore avec le producteur et scénariste Michael Tolkin, qui a coécrit plusieurs de ses films. Le chef opérateur John Alonzo l'accompagne sur ses tournages.
Les thèmes de la justice, de la corruption et de l'identité noire traversent l'œuvre de Bill Duke. Il s'intéresse aux héros solitaires qui doivent lutter contre un système injuste, aux policiers et aux gangsters, et à la manière dont les communautés se défendent. La question de la mémoire historique et de la représentation à Hollywood est également récurrente.