Билли Айлиш Пайрат Бэрд О’Коннелл родилась 18 декабря 2001 года в Лос-Анджелесе. Её родители — актриса и преподаватель Мэгги Бэрд и актёр Патрик О’Коннелл, также занимаются музыкой и участвуют в турах дочери. По происхождению Айлиш имеет ирландские и шотландские корни. Она была зачата путём экстракорпорального оплодотворения. Изначально её планировали назвать Айлиш, а Пайрат должно было стать вторым именем, но после смерти деда по материнской линии, Уильяма Бэрда, родители решили дать ей имя Билли в его честь. Детство певицы прошло в районе Хайленд-Парк в Лос-Анджелесе.
Билли и её старший брат Финнеас (род. 1997) находились на домашнем обучении, которое проводила их мать. Такое решение родители приняли, чтобы больше времени уделять детям и позволить им свободно развивать свои интересы. Мэгги Бэрд научила их основам написания песен. По словам Айлиш, вдохновением для занятий музыкой стали её брат и мать. Родители поощряли творческие начинания детей, будь то музыка, танцы, актёрское мастерство или рисование.
С шести лет Билли начала играть на укулеле, выступала на школьных конкурсах талантов, а в восемь лет вступила в Лос-Анджелесский детский хор. В одиннадцать она написала свою первую полноценную песню для маминого урока по сочинению музыки — композиция была посвящена зомби-апокалипсису и навеяна сериалом «Ходячие мертвецы», откуда она позаимствовала строки из сценария и названия эпизодов. Айлиш пробовала себя в актёрских пробах, но они ей не нравились, зато она с удовольствием записывала фоновые реплики для массовки в таких фильмах, как «Дневник слабака», «Рамона и Бизус» и серии «Люди Икс». Также она занималась танцами, но в 2016 году травма хрящевой пластинки роста положила конец её танцевальной карьере, после чего она сосредоточилась на музыке.
