Né à New York en 1928, Klein grandit à Harlem. En 1947, il part comme GI à Paris, où il fréquente l’atelier d’André Lhote puis de Fernand Léger. Il se destine alors à la peinture et expose au début des années 50 des peintures géométriques abstraites. Parallèlement, il entame une carrière de photographe et commence à réaliser des courts-métrages.

Rejeté par son pays natal pour son livre chef d'oeuvre sur New York, publié au Seuil par Chris Marker, c'est en France que William Klein connaît le début du succès. Il obtient en 1957 le prix Nadar. Photographe pour Vogue, où il révolutionne la photo de mode, il réalise ensuite trois portraits de villes, Rome, Tokyo et Moscou.

Au cinéma, il signe plusieurs films remarqués, notamment Qui êtes-vous, Polly Magoo ? (1966) « film sur l’intox, la mode et les médias » ou encore Mohammed Ali, The Greatest (1964-1971), lequel devient vite un film emblématique de la lutte des noirs américains.

Après l'International Center of Photography de New York en 1994, le musée d'Art moderne de San Francisco lui a rendu dernièrement hommage, reconnaissant quarante ans plus tard le talent de William Klein.

En 2005, le Centre Pompidou lui consacre une grande exposition rétrospective.