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Billie O'Connell grandit dans le Highland Park, Los Angeles, dans une famille d'acteurs et de musiciens. Ses parents Maggie Baird et Patrick O'Connell sont comédiens, musiciens et scénaristes. Elle effectue sa scolarité à la maison et rejoint les Los Angeles children's Chorus (Chorale des enfants de Los Angeles) à l'âge de huit ans. À onze ans, Billie commence à écrire et chanter ses propres chansons, comme le faisait déjà son frère aîné Finneas O'Connell avec son groupe. En octobre 2015, Billie enregistre la chanson "Ocean Eyes" (initialement écrite par Finneas pour son groupe) et envoie l'enregistrement à son professeur de danse qui confectionne une chorégraphie pour le titre.
Le titre Ocean Eyes est le premier single de Billie Eilish. Elle le publie sur SoundCloud en 2016. Un clip vidéo sort le 24 mars 2016. Cette même année, Eilish sort le single Six Feet Under. Ocean Eyes qui fut édité dans le monde entier par les labels Darkroom et Interscope Records le 18 novembre 2016 bénéficie d'un accueil globalement favorable de la part des critiques. "La chanson est de la pure pop ; une ballade sur le désir de réconciliation avec un ex. On peut raisonnablement penser que ce titre va devenir un tube " déclare Chris DeVille de Stereogum. Depuis le 22 novembre 2016, une vidéo de Eilish dansant sur ce titre est également disponible. Le 14 janvier 2017, Eilish sort un EP avec quatre remixes de Ocean Eyes.
Après le succès des remixes d'Ocean Eyes, Eilish sort le single Bellyache (qui deviendra également le nom d'un donut chez Donut Friend, magasin qu'elle fréquente à Los Angeles) le 24 février 2017, produit et co-écrit par Finneas O'Connell, avec un clip vidéo réalisé par Miles et AJ et publié le 22 mars 2017. Le 30 mars, Eilish sort Bored qui apparaît dans la bande originale de la série télévisée de 13 Reasons Why. Le 30 juin 2017, Eilish sort le single Watch et dans la foulée Copycat le 11 juillet 2017 avec l'annonce d'un EP Don't Smile at Me. Durant ce mois de juillet, tous les vendredis, Eilish ajoute un autre single dans le nouvel EP et c'est ainsi que les singles Idontwannabeyouanymore et My Boy sont publiés. Don't Smile at Me sort le 12 août 2017. Ensuite, Eilish collabore avec le rappeur Américain Vince Staples pour un remix de Watch intitulé &Burn, qui sera inclus par la suite dans une réédition de l'EP. En janvier 2018, Eilish annonce la préparation de sa tournée Where's My Mind qui commence en août 2018.
Pour le Record Store Day 2018, Eilish annonce un vinyle avec une version acoustique de sa chanson Party Favor et une reprise acoustique Hotline Bling de Drake.
Eilish collabore avec le chanteur américain Khalid pour le single Lovely publié en avril 2018 et ajouté à la bande-son de la deuxième saison de 13 Reasons Why. 2018 est également l'année de sortie des singles Bitches Broken Hearts , You Should See Me in a Crown et when the party's over . Bien qu'il n'y ait pas eu de confirmation officielle, il semblerait qu'un ou plusieurs de ces singles apparaîtra dans le premier album de Billie Eilish, son frère ayant confirmé son arrivée en 2018.