Timothy William Burton nació en la ciudad de Burbank, California, siendo el primero de dos hijos del matrimonio conformado por Bill Burton y Jean Erickson. Burton ha descrito su propia infancia como "excéntrica, absorta y altamente imaginativa". Además, fue caracterizada por su afición a escenificar, junto a su hermano menor, parodias de escenas relacionadas con contenido sangriento (homicidios, asesinatos, etc). De hecho, una vez representó (junto a su hermano) un asesinato con un hacha para asustar a los vecinos, al punto de que uno llamó a la policía. Así es como se ganó el apodo de "Axe Wound" (herida de hacha)

Respecto a la educación académica, simplemente era un ámbito difícilmente comprensible para él, por lo que prefería, frecuentemente, escapar de la realidad de la vida cotidiana viendo películas de horror y de bajo presupuesto. Otras inspiraciones mayoritarias en su vida y posteriores trabajos serían, en primera instancia, el actor Vincent Price, así como también el estilo cinematográfico stop-motion, inspirado principalmente por Ray Harryhausen; las macabras fantasías literarias del escritor Edgar Allan Poe y el atormentado sentido realista de Charles Dickens.

Después de cursar la preparatoria, obtuvo una beca económica por parte de Walt Disney Pictures para asistir al Instituto de Artes Gráficas de California, radicado en Valencia, California, en donde estudió animación durante un plazo de tres años, en el departamento de animación.

Su primer trabajo fue al colaborar en la adaptación animada de la obra literaria, El Señor de los Anillos, en 1958.Tiempo después, sería contratado por The Walt Disney Company para fungir como aprendiz de animación. A raíz de esta nueva etapa, su siguiente colaboración consistió en dibujar los conceptos predominantes en la película El Zorro y el Sabueso. Sin embargo, su colaboración fue "mal vista" por los estudios, porque «sus diseños hacían ver a los personajes como animales muertos en la carretera"», por lo que su trabajo fue cambiado íntegramente, causando la infelicidad del cineasta, quién decidido a crear su propio trabajo, más tarde escribiría y dibujaría el poema y las ilustraciones que conformarían la base para su célebre producción animada, The Nightmare Before Christmas.

En 1982 Burton realizó su primer cortometraje bajo el título de Vincent, una obra animada con la técnica stop-motion cuya duración fue, aproximadamente, de seis minutos y cuyo argumento gira en torno a un niño que idolatra a Vincent Price —contando trivialmente con la narración de este último para el mismo. Además, el poema, que conforma el relato, estaba redactado en rimas, por lo que ha pasado a considerarse como un homenaje, por parte de Burton, al escritor Edgar Allan Poe.

Dos años después, en 1984, estrena su segundo cortometraje, titulado Frankenweenie y protagonizado por Barret Oliver, Daniel Stern y Shelley Duvall. Fue filmado en blanco y negro, siendo inspirado por el personaje literario de Frankenstein. Su argumento cubre los esfuerzos de un niño por reanimar a su difunto perro Sparky, el cual murió tras ser atropellado por un automóvil. Sin embargo, a pesar de sus favorables críticas en diversos festivales cinematográficos, los estudios Disney decidieron archivarla indefinidamente para evitar su distribución con la razón de que «su contenido sería demasiado fuerte para las audiencias infantiles»

A partir de estos logros, Burton realzó su inclinación por las influencias góticas, combinadas en una atmósfera de romance y fantasía, otorgándole un toque distintivo y único a sus trabajos predecesores —los cuales en su mayoría, relatan las vivencias de personajes lisiados, fenómenos, seres excluidos de la sociedad o personajes populares que no se logran sentir en concordia con su estatus social—.

En 1989, Burton se casó con la artista alemana, Lena Gieseke, de la cual terminó divorciándose poco tiempo después de la filmación de Batman Returns. Posteriormente estuvo comprometido con Lisa Marie desde 1992 hasta el 2001. Actualmente está comprometido con Helena Bonham Carter -desde su separación de Marie -, y tienen dos hijos: un varón llamado Billy-Ray Burton -nacido en octubre del 2003 y cuyo padrino es el amigo de Burton, Johnny Depp -, y una niña, llamada Nell, nacida el 15 de diciembre del 2007. Cabe señalar que, Bonham Carter ha aparecido en todas las películas de Burton desde el 2001. Contrario a lo que algunos creen, la pareja no vive en casas separadas en Londres y conectadas por medio de un túnel. Cuando Boham Carter fue cuestionada en Friday Night with Jonathan Ross acerca de estos reportes, reveló que viven en dos casas conectadas por un pasillo y que sí duerme en otra habitación, dado que Burton ronca.

En una ocasión, Bonham Carter ha comentado que la razón para el estilo y visión únicos de dirección de su prometido es que ella cree que Burton sufre del Síndrome de Asperger, una poco habitual forma de autismo. Ha dicho que esto ha ayudado a inspirar su cretividad y no es un defecto sino una gran virtud.

Por otra parte, Burton actualmente no tiene ningún tipo de relación con su hermano Daniel, mientras que su padre, Bill -un antiguo jugador de ligas menores de béisbol -, murió en octubre del 2000 durante el rodaje de El planeta de los simios, y su madre, Jean, falleció en marzo del 2002.