Willis có tên khai sinh là Walter Bruce Willis,[1] sinh ngày 19 tháng 3 năm 1955 tại Tây Đức.[2][3][4] Cha ông, David Willis (1929-2009) là một người lính Mỹ. Mẹ ông, Marlene[5] là một người Đức, sinh gần Kassel.[2][3] Willis là anh cả trong gia đình có bốn người con; ông có một em gái tên Florence và một người em trai tên là David. Em trai Robert của ông qua đời bởi căn bệnh ung thư tuyến tụy vào năm 2001, thọ 42 tuổi.[6]

Sau khi xuất ngũ năm 1957, cha Willis đưa gia đình ông quay trở về Carneys Point Township, New Jersey.[7] Willis miêu tả bản thân xuất thân từ một gia đình tầng lớn lao động thường. Mẹ ông làm việc tại một ngân hàng còn cha ông là một thợ hàn, thợ máy chuyên nghiệp và công nhân nhà máy.[1] Willis theo học tại trường trung học Penns Grove ở quê nhà, nơi ông gặp vài vấn đề với chứng nói lắp,[7] vì thế ông được bạn bè đặt biệt danh là "Buck-Buck".[1][8][9] Sau khi thể hiện mình trên sân khấu thuận lợi và mất dần chứng nói lắp, Willis bắt đầu biểu diễn trên sân khấu; những hoạt động ở trường của ông đánh dấu bởi những sự kiện như câu lạc bộ kịch và trở thành chủ tịch hội đồng học sinh.[1]

Sau khi tốt nghiệp trung học, Willis nhận một công việc làm bảo vệ tại Salem Nuclear Power Plant,[10][11] đồng thời làm công việc giao hàng tại nhà máy Dupont Chambers Works ở Deepwater, New Jersey.[11] Sau khi kết thúc công việc thám tử tư (một vai diễn ông sẽ đóng trong series phim truyền hình Moonlighting và bộ phim năm 1991 The Last Boy Scout), Willis bắt đầu chuyển sang diễn xuất. Ông tham gia vào chương trình kịch tại trường đại học bang Montclair, nơi ông tham gia sản xuất vở kịch Cat on a Hot Tin Roof. Willis rời trường học và chuyển đến thành phố New York,[3] ông bắt đầu với công việc phục vụ rượu tại West 19th Street art bar Kamikaze.[12]