William Travilla se forme au Chouinard Art Institute de Los Angeles, une école d'enseignement artistique. Très jeune, il révèle un talent particulier pour les croquis de mode, talent qu'il affûte en dessinant les costumes de scène des danseuses dans des cabarets. Avec l'argent d'un héritage, il voyage pendant un an, notamment dans les îles de l'océan Pacifique et en Polynésie, des pays qui influenceront son style. Réformé par l'armée, Travilla entre à la Woodbury University à Burbank (Californie) où il étudie le design de mode.
Célèbre créateur de costumes pour Hollywood du début des années 1940 à la fin des années 1960, William Travilla participe à une centaine de films. Très actif dans les années 1950, il a créé quelques robes iconiques du cinéma américain, en particulier pour Marilyn Monroe qui l'a beaucoup inspiré.
William Travilla ambitionne de travailler pour les majors d'Hollywood. Il ne décroche au début que quelques missions, employé souvent comme assistant dessinateur. Il signe son premier contrat en tant que créateur de costumes en 1941 avec la Columbia. Il dessine quelques costumes en 1943, pour Les Despérados de Charles Vidor et La Rousse de Manhattan de Lew Landers. Sa carrière débute réellement en 1945, lorsque l'actrice Ann Sheridan, séduite par les dessins qu'il a réalisés au cours de son voyage dans les mers du Sud, lui propose de devenir son costumier personnel à la Warner Brothers. Ce projet n'aura pas de suite, bien que Travilla dessine les robes de l'actrice pour le film noir de Vincent Sherman L'Amant sans visage en 1946, puis, en collaboration avec la costumière Marjorie Best, celles de La Rivière d'argent de Raoul Walsh en 1948. Après avoir travaillé sur plusieurs films de série B, William Travilla accède à la notoriété en recevant en 1949, avec Marjorie Best et le costumier Leah Rhodes, l'Oscar de la meilleure création de costumes pour Les Aventures de Don Juan de Vincent Sherman avec Errol Flynn. Désormais, son talent est reconnu à Hollywood. Travilla est engagé par la 20th Century Fox, société qui sera son principal employeur. Parallèlement, il crée sa propre boutique de mode à Los Angeles. C'est le début de la période la plus productive de sa carrière.
Au cours des années 1950, William Travilla crée les costumes d'une vingtaine de films, collaborant avec les plus grands réalisateurs américains. Sa première oeuvre d'envergure est le célèbre film de Robert Wise Le Jour où la terre s'arrêta (1951), considéré comme le premier grand film de science-fiction du cinéma américain. William Travilla travaille avec Elia Kazan pour Panique dans la rue (1950) et Viva Zapata ! (1951). Au sein de la 20th Century Fox, il fait souvent équipe avec le costumier Charles Le Maire, par exemple pour Le Port de la drogue ou Le Démon des eaux troubles de Samuel Fuller, en 1953. Il habille des stars comme Ginger Rogers (Chérie je me sens rajeunir de Howard Hawks en 1952) ou Gene Tierney (La Main gauche du Seigneur d'Edward Dmytryk en 1955), ainsi que Jane Russell dans Bungalow pour femmes de Raoul Walsh la même année.
Mais William Travilla nourrit une passion ardente pour Marilyn Monroe. Il va habiller l'actrice dans pas moins de huit films, lui créant des robes devenues iconiques dans l'histoire du cinéma mondial. Une première rencontre a lieu en 1952, sur le tournage du film de Roy Ward Baker Troublez-moi ce soir. C'est avec Les Hommes préfèrent les blondes de Howard Hawks (1952) que Travilla dessine pour Marylin des tenues qui définissent un style original et inédit et consacrent l'actrice blonde en star, mêlant innocence et provocation, aux côtés de la brune Jane Russell. Le costumier dessine pour Marylin deux robes sophistiquées, l'une avec des gants noirs, l'autre avec des gants roses, propulsant l'actrice en " sex-symbol ", à la limite de la caricature d'un personnage de bande-dessinée à la Betty Boop.
Pour William Travilla, les vêtements créés pour Marylin sont " un acte d'amour ". Cet attachement est partagé par l'actrice. Celle-ci a lancé, avec Lana Turner, la mode des chandails féminins. Elle trouve son style dans les fourreaux fendus haut sur les cuisses et les robes coupées dans le biais créés par Travilla. En 1953, dans Comment épouser un millionnaire de Jean Negulesco, Marylin porte, entre autres, une robe en satin de soie couleur dahlia et un ensemble noir de voyage. Ce film vaudra au costumier une nomination aux Oscars. Marylin Monroe ne voulait porter que des robes " seconde peau ". Sublimant son magnétisme sexuel, celles-ci avaient parfois si peu de coutures ou de pinces qu'elles étaient mises en forme directement sur le corps, Cet érotisme brûlant est évoqué sans détour dans le film d'Otto Preminger et Jean Negulesco Rivière sans retour (1953), par des sous-vêtements minimalistes séchant sur une corde à linge improvisée. Et la robe de cocktail blanche qui se soulève au-dessus d'une grille d'aération du métro new-yorkais dans Sept ans de réflexion de Billy Wilder (1954) est l'une des plus emblématiques du cinéma américain, bien que juste entraperçue dans le film. Pour la sortie du film, l'image a été reproduite sur une affiche de 16 m de haut à Time Square à New York, à partir d'une photographie de tournage.
En 1956, à l'expiration de son contrat avec la 20th Century Fox, William Travilla, sans quitter tout à fait le cinéma, se recentre sur sa marque de vêtements, créant plusieurs collections de prêt-à-porter. Au cours des années 1960, il participe en free-lance à quelques films, comme Mary, Mary de Mervyn LeRoy (1963), La Vallée des poupées de Mark Robson (1967) ou L'Étrangleur de Boston de Richard Fleischer (1968). Au début des années 1970, il se tourne vers la télévision, participant à des séries à succès. Au cinéma, outre l'Oscar de la meilleure création de costumes obtenu en 1949, William Travilla a été nominé trois fois, pour Comment épouser un millionnaire de Jean Negulesco (1953), La Joyeuse parade de Walter Lang (1954) et The Stripper de Franklin J. Schaffner (1963).
De 1979 à 1986, William Travilla réalise des costumes pour des séries télévisées et des téléfilms comme Dallas, feuilleton télévisé en 357 épisodes diffusé entre avril 1978 et mai 1991 sur le réseau CBS, dont il accompagne 61 épisodes, et son spin-off Côte ouest (1984-1986). On le retrouve sur une autre série à succès, Les oiseaux se cachent pour mourir, réalisée par Daryl Duke d'après le roman best-seller de Colleen McCullough et diffusée en mars 1983 sur le réseau ABC.
Le costumier participe également à des téléfilms américains et des biopics comme Jacqueline Bouvier Kennedy réalisé par Steve Gethers, ou Evita Peron de Marvin J. Chomsky, tous deux diffusés en 1981.