William Klein découvre l’Europe en faisant son service militaire (1948-1951). Il s’inscrit à la Sorbonne puis étudie la peinture avec Fernand Léger. De 1951 à 1954, il découvre la photographie en Italie par le biais de l’architecture avec une première œuvre autour du thème des transpositions murales. En 1954, il rencontre Alexander Liberman, directeur artistique de Vogue, qui lui propose une collaboration. Son premier livre, sous forme de photo-journal, Life is Good and Good For You in New York: Trance Witness Revels, sort en 1956. Il est récompensé par le prix Nadar l’année suivante. Federico Fellini l’invite alors à devenir son assistant.

En 1958-1959, il publie le livre Rome et tourne son premier court-métrage: Broadway by Light. Au début des années 60, William Klein produit des films pour la télévision française comme Aux grands magasins (1963). Entre 1964 et 1966, il publie Moscou et Tokyo, et tourne Cassius le grand et Qui êtes-vous Polly Maggoo?, produits par Robert Delpire.

Du milieu des années 60 jusqu’en 1980, l’artiste s’éloigne de la photographie pour se consacrer à la réalisation de films, parmi lesquels Loin du Vietnam (1967), Mr. Freedom (1969), Muhammad Ali the Greatest (1974) ou encore Le couple témoin (1976). L’année 1980 marque son retour à la photographie, sans que Klein n’abandonne pour autant le cinéma. De 1989 à 1994, il publie Close Up (1989), Torino ‘90 (1990), In & Out of Fashion (1994) ainsi que de nombreuses monographies et de nombreux catalogues.

Le photographe reçoit le Prix International Hasselblad en Suède en 1990 et, l’année suivante, il se voit décerner le rang de Commandeur des Arts et des Lettres.

A l’occasion de son dernier film, Le Messie (1999), il publie William Klein: Films et reçoit le Grand Prix National de France. La même année, il est le lauréat de la Médaille du Millenium en Angleterre. En 2002, PARIS + KLEIN sort. Son auteur gagne le Grand Prix de la Biennale de Moscou de 2004. En 2005, il réalise l’exposition et le livre Romani. Le Centre Pompidou inaugure, en décembre, une importante rétrospective de son œuvre et coédite, avec Marval, un livre de 400 pages, Rétrospective.

Le Grand Prix de l’Institut Américain des Arts lui est attribué en 2007. En 2008, il publie Contacts, un recueil de ses grandes photographies revisitées par des interventions à la peinture sur des contacts agrandis.