Bill Bixby se v televizi uplatnil na maximum. Na velkém plátně se objevil například v: Irma la Douce (1963) s Jackem Lemmonem v režii Billyho Wildera, western Jízda za pomstou (1966) s Chuckem Connorsem v hlavní roli a dva filmy s Elvisem Presleym Clambake (1967) a Speedway (1968). Jeho prvním televizním seriálem byl Můj oblíbený Marťan, kde hrál roli Tima O'Hary a spolu s ním hrál Ray Walston. Seriál se vysílal na stanici CBS v letech 1963 až 1966. Bixby pokračoval v úspěších v televizi jako hvězda sitcomu stanice ABC Námluvy otce Eddieho (1969-1972), kde hrál vdovce, který se stará o svého malého syna, jehož hrál Brandon Cruz. Zahrál si také v seriálu Kouzelník (1973-1974) jako slavný kouzelník Anthony Blake, který je zároveň detektivem. Největší hit jeho kariéry měl přijít koncem 70. let, kdy si zahrál roli Davida Bannera v seriálu televize CBS Neuvěřitelný Hulk s Lou Ferrignem v roli Hulka. Seriál vychází z postavy, kterou vytvořili Stan Lee a Jack Kirby. Po úspěchu seriálu byly pro televizi natočeny tři filmy: (1988), který režíroval Nicholas Corea, The Trial of the Incredible Hulk (1989) a The Death of the Incredible Hulk (1989), který režíroval Bixby.
Bill Bixby byl třikrát nominován na cenu Emmy za roli ve filmech The Courtship of Eddie's Father (1969), The Streets of San Francisco (1972) a Rich Man, Poor Man (1976).