Тимоти Уильям Бёртон был первым ребёнком в семье Билла и Джин Бёртон. Отец будущего режиссёра занимал должность в парковом управлении Бёрбанка. Также семья содержала небольшой магазин сувениров Cats Plus, в котором продавалось всё, связанное с кошачьей тематикой. Дом Бёртонов в районе 2000 на Эвергрин Стрит до сих пор сохранился. Он находится неподалеку от аэропорта Бёрбанка и кладбища Вальгалла.
Позднее Бёртон отразит своё виденье родного города в фильме «Эдвард Руки-ножницы».

С ранних лет Тим чувствует себя чужим в родном городе. По его признанию, родители, по непонятным причинам, заложили кирпичом окна в его детской, оставив лишь небольшие зазоры для света.
В юности Тим играет в водное поло за школьную команду, предпочитает одиночество, слушая панк-рок и развлекаясь походами в кино. Репертуар его любимых кинотеатров, чаще всего, ограничивается второсортной фантастикой и фильмами ужасов. Одно время он мечтает работать актёром, «управляющим резиновым монстром Годзиллой» из японских фильмов. Вдохновленный кино-работами Рэя Харрихаузена, он рано пробует делать свои собственные кукольные мультфильмы — большинство из них утеряны, либо считаются таковыми.
После окончания школы в 1976 году он поступает в Калифорнийский институт искусств. Во время учёбы Бёртон часто заменяет написание учебных работ съёмками короткометражных любительских фильмов по мотивам заданного материала.
В 1979 Тим Бёртон начал работать сначала дизайнером персонажей, а затем и аниматором на студии Диснея.
Впоследствии Бёртон снимет на Диснее свой первый шестиминутный мультфильм «Винсент». Его следующую работу, «Франкенвини», студия не решилась выпускать на экраны, сочтя этот фильм несовместимым с имиджем детской студии, и в прокат он вышел лишь в 1992 году. В это же время на студии Бёртон знакомится со своей первой постоянной подругой Джули Хиксон.
Во время съемок «Большого приключения» Тим Бёртон заводит дружбу с композитором Дэнни Эльфманом, который с этого момента становится практически постоянным композитором в его фильмах.
«Большое приключение Пи-Ви», имел значительный коммерческий успех. Этот факт подтолкнул руководство студии Warner Bros. к идее поручить (1985 год) подающему надежды режиссёру готовящуюся экранизацию комиксов о Человеке — Летучей Мыши.
Многие исследователи творчества Бёртона считают, что его женщины оказывали максимальное влияние на последующее творчество режиссёра. Велико влияние бывшей танцовщицы стриптиза Лизы Мэри, художницы, а впоследствии и актрисы, с которой режиссёр долгое время встречался, обручился (в начале 1992) и проживал вместе вплоть до 2001 года.
За это время были сняты наиболее показательные для творчества Бёртона фильмы: «Эдвард Руки-ножницы» (1990), «Эд Вуд» (1994), «Сонная Лощина» (1999) и другие.
Фильмом «Эдвард Руки-ножницы» ознаменовано начало длительного сотрудничества Бёртона с актёром Джонни Деппом. Депп возглавляет список актёров, постоянно снимающихся у Бёртона и считается альтер-эго Бёртона.
В 1995 году выходит первое издание ставшего классическим сборника интервью «Бёртон о Бёртоне» американского кинокритика Марка Солсбери — настольная книга всякого фаната Бёртона, постоянно дополняемая и выдержавшая неоднократные переиздания. Предисловие к сборнику написал друг режиссёра Джонни Депп.
С начала 2000-х уезжает из Калифорнии, США и постоянно проживает в Лондоне, Великобритания. За это в американской прессе его периодически называют «режиссёр, который проживает в Лондоне».
В 2001 году Бёртон приступает к съёмкам ремейка фантастической картины 1968 года «Планета обезьян». В этот момент Бёртон увлекается английской актрисой Хеленой Бонэм Картер. Их союз с Лизой Мэри распадается.
В октябре 2001 Бёртон обручился с Бонэм Картер. Вышедшая в прокат в июле того же года «Планета обезьян» собирает только в США 180 миллионов долларов при бюджете в 100 миллионов, однако большинство критиков называют новый фильм Бёртона худшим из когда-либо им снятых.
Смерть обоих родителей и последующее рождение (4 октября 2003) сына Билли Рэя найдет отражение в самом противоречивом его фильме «Крупная рыба». Необычная для всего остального творчества Бёртона «Рыба» послужила почвой для слухов и домыслов в прессе о творческом кризисе режиссёра.
Однако эти слухи были развеяны двумя последующими картинами: «Чарли и шоколадная фабрика» по повести для детей Роальда Даля и кукольным мультфильмом «Труп невесты» (2005). В них к Бёртону вернулась свойственная ему мрачная манера повествования, а самим фильмам сопутствовал значительный кассовый успех. В этом же году он номинирован на Оскар за «Труп невесты».
В 2006—2007 годах Бёртон предпринимает попытку кино-постановки мюзикла Стивена Сондхейма «Суини Тодд, демон-парикмахер с Флит-стрит». 5 сентября того же года им получена специальная награда венецианского кинофестиваля — Золотой лев за достижения в жизни и творчестве, там же, в рамках объявленного Дня Бёртона демонстрируется 8-минутный (вопреки объявленному 10-минутному) отрывок из будущего фильма.
Двумя неделями ранее пара Бёртон-Бонэм Картер официально объявляет о второй беременности Хелены — дочь Бёртона появляется на свет ночью 15 декабря 2007. Длительное время пара скрывает от общественности её имя. 8 месяцев спустя, в одном из интервью Хелена Бонэм Картер сообщает, что её дочь от Бёртона назвали Нелл.
В ноябре 2007 студия Дисней объявляет о своем намерении задействовать Бёртона в двух 3D-анимационных проектах: постановке «Алисы в Стране Чудес» и ремейке его собственного фильма «Франкенвини». Бёртон пожелал выступить не только режиссёром, но продюсером и соавтором сценария новой версии «Франкенвини».
В начале 2008 года Бёртон высказывается о его женитьбе на Бонэм Картер, которая может состояться в самое скорое время. Позднее пара продает свои апартаменты в Лос-Анджелесе (США) и окончательно переезжает в Лондон (Великобритания).