Nascida Eleanor Fagan Gough, foi criada em Baltimore por pais adolescentes. Quando nasceu, seu pai, Clarence Holiday, tinha quinze anos de idade e sua mãe, Sarah Fagan, apenas treze. Seu pai, guitarrista e banjista, abandonou a família quando Billie ainda era bebê, seguindo viagem com uma banda de jazz. Sua mãe, também inexperiente, frequentemente a deixava com familiares.

Menina americana negra e pobre, Billie passou por todos os sofrimentos possíveis. Aos dez anos foi violentada sexualmente por um vizinho, e internada numa casa de correção para meninas vítimas de abuso. Aos doze, trabalhava lavando o chão de prostíbulos. Aos quatorze anos, morando com sua mãe em Nova York, caiu na prostituição.
Sua vida como cantora começou em 1930. Estando mãe e filha ameaçadas de despejo por falta de pagamento de sua moradia, Billie sai à rua em desespero, na busca de algum dinheiro. Entrando em um bar do Harlem, ofereceu-se como dançarina, mostrando-se um desastre. Penalizado, o pianista perguntou-lhe se sabia cantar. Billie cantou e saiu com um emprego fixo.
Billie nunca teve educação formal de música e seu aprendizado se deu ouvindo Bessie Smith e Louis Armstrong.

Após três anos cantando em diversas casas, atraiu a atenção do crítico John Hammond, através de quem ela gravou seu primeiro disco, com a big band de Benny Goodman. Era o real início de sua carreira. Começou a cantar em casas noturnas do Harlem (Nova York), onde adotou seu nome artístico.

Cantou com as big bands de Artie Shaw e Count Basie. E foi uma das primeiras negras a cantar com uma banda de brancos, em uma época de segregação racial nos Estados Unidos (anos 1930). Consagrou-se apresentando-se com as orquestras de Duke Ellington, Teddy Wilson, Count Basie e Artie Shaw, e ao lado de Louis Armstrong.

Billie Holiday foi uma das mais comoventes cantoras de jazz de sua época. Com uma voz etérea, flexível e levemente rouca, Sua dicção, seu fraseado, a sensualidade à flor da voz, expressando incrível profundidade de emoção, a aproximaram do estilo de Lester Young, com quem, em quatro anos, gravou cerca de cinquenta canções, repletas de swing e cumplicidade. Lester Young foi quem lhe apelidou "Lady Day".

A partir de 1940, apesar do sucesso, Billie Holiday, sucumbiu ao álcool e às drogas, passando por momentos de depressão, o que se refletia em sua voz.

Pouco antes de sua morte por overdose de drogas, Billie Holiday publicou sua autobiografia em 1956, Lady Sings the Blues, a partir da qual foi feito um filme, em 1972, tendo Diana Ross no papel principal.