Né le 29 février 1896 à Brookline, dans le Massachusetts, William A. Wellman, surnommé « Wild Bill », s'engage comme pilote de chasse au sein du Lafayette Flying Corps durant la Première Guerre mondiale, une expérience qui marquera durablement son cinéma. De retour aux États-Unis, il débute comme acteur auprès de Douglas Fairbanks avant de passer à la réalisation au début des années 1920. Il connaît une consécration immédiate en 1927 avec Wings, film sur l'aviation militaire inspiré de son propre vécu de pilote, qui devient le tout premier long métrage à remporter l'Oscar du meilleur film lors de la toute première cérémonie en 1929, et demeure aujourd'hui encore le seul film muet ainsi récompensé jusqu'à The Artist en 2011. Il enchaîne les succès dans des genres très variés, dont Le Public ennemi en 1931 avec James Cagney, qui contribue à fonder le genre du film de gangsters et propulse la carrière de son interprète principal. Il signe également Une étoile est née en 1937, Nothing Sacred la même année, Beau Geste en 1939, puis L'Étrange Incident en 1943, western engagé contre le lynchage. Il poursuit avec La Bataille de la vallée du diable en 1949 et Suzy Wong en 1954, confirmant sa réputation de cinéaste capable de maîtriser tous les registres, du drame de guerre à la comédie en passant par le western.
Son expérience de pilote de chasse durant la Première Guerre mondiale constitue la matrice directe de Wings, film fondateur de sa carrière, et irrigue plus largement son goût pour les récits de camaraderie masculine et d'héroïsme sous le feu. Son passage par le muet puis le parlant, dans une industrie hollywoodienne en pleine mutation technique, façonne une polyvalence rare qui lui permet de s'illustrer dans presque tous les genres du studio system classique. Son regard social, hérité d'une Amérique traversée par la Grande Dépression, nourrit des films aussi engagés que L'Étrange Incident, dénonciation frontale du lynchage dans l'Ouest américain.
William A. Wellman développe un style direct et sans fioritures, privilégiant l'efficacité narrative et la tension dramatique à l'esthétisme gratuit, une signature qui lui vaut la réputation de cinéaste artisan capable de livrer un film dans tous les genres avec la même rigueur. Sa mise en scène des scènes d'action, en particulier aériennes, bénéficie directement de sa propre expérience de pilote et confère à des films comme Wings une authenticité rare pour l'époque. Il sait également instiller une tension morale forte dans ses films les plus engagés, comme L'Étrange Incident, où la mise en scène épurée sert une dénonciation sans concession de la justice expéditive.
Wings remporte l'Oscar du meilleur film lors de la toute première cérémonie des Academy Awards en 1929, une distinction historique pour son tout premier grand succès. Il obtient trois nominations à l'Oscar du meilleur réalisateur au cours de sa carrière, pour Une étoile est née en 1938, La Bataille de la vallée du diable en 1950 et Suzy Wong en 1955, sans toutefois remporter la statuette dans cette catégorie. Une étoile est née lui vaut par ailleurs l'Oscar de la meilleure histoire originale en 1938.
Il dirige à plusieurs reprises l'acteur James Cagney, dont Le Public ennemi contribue à lancer la carrière. Il collabore également avec le scénariste Robert Carson sur Une étoile est née, et retrouve John Wayne sur plusieurs productions au fil de sa longue carrière.
L'héroïsme militaire et la camaraderie virile sous le feu, hérités de sa propre expérience de pilote de guerre, structurent une large part de son œuvre, de Wings à La Bataille de la vallée du diable. La critique sociale et la dénonciation de l'injustice, notamment raciale et judiciaire, traversent également des films comme L'Étrange Incident. La polyvalence assumée entre grand spectacle populaire et drame plus personnel complète enfin sa signature de cinéaste artisan du studio system hollywoodien.