S'il tourne dans quelques films dont Irma la Douce de Billy Wilder, c'est surtout à la télévision que Bill Bixby doit sa célébrité. Il est en effet l'acteur principal de cinq séries à succès :
Elles seront également un excellent tremplin en tant que metteur en scène : Bixby réalisera un épisode de la saison 4 (Mort ou vif) de Hulk et deux des trois téléfilms suivants, ainsi que plusieurs épisodes de séries culte (Mannix, Le Riche et le Pauvre, Drôles de dames…) et des téléfilms. Alors qu'il projette de faire revivre Hulk dans une nouvelle aventure, écrite par Robert McCullough et intitulée Rebirth of the Incredible Hulk (La Résurrection de l'incroyable Hulk). Il meurt des suites d'un cancer de la prostate le . Il est incinéré et ses cendres sont dispersées sur l’île de Maui.
L'ex-président Bill Clinton lui avait rendu hommage quelque temps auparavant pour son courage face au cancer (de même qu'à son ami Michael Landon).
Vie privée
Bill Bixby épouse l'actrice Brenda Benet en 1971. Ils divorcent en 1980. Leur fils, Sean Christopher, meurt en 1981 à l'âge de six ans des suites d'une infection rarissime (à la suite de soins reçus après un accident de ski). Brenda Benet se suicidera un an plus tard, le . Elle joua aux côtés de Bill Bixby dans un épisode de la saison 3 de la série L'Incroyable Hulk (épisode 18 : Prémonition).
L'acteur se remarie en 1990 avec Laura Jane Michaels dont il divorce l'année suivante, lorsque sa maladie est diagnostiquée. En 1993, il épouse Judith Kliban, veuve de B. Kliban, quelques semaines avant sa mort.
Mort
Il meurt d'un cancer de la prostate, le . Il avait 59 ans.