Bill Bixby machte das Beste aus seiner Karriere beim Fernsehen. Zu seinen Credits auf der großen Leinwand gehören: Irma la Douce (1963), mit Jack Lemmon, unter der Regie von Billy Wilder; Ride Beyond Vengeance (1966), Western mit Chuck Connors in der Hauptrolle; und zwei Filme mit Elvis Presley in der Hauptrolle, Clambake (1967) und Speedway (1968). Seine erste Fernsehserie war My Favorite Martian, in der er die Rolle des Tim O'Hara spielte und in der Ray Walston in der Hauptrolle mitspielte. Die Serie wurde von 1963 bis 1966 auf CBS ausgestrahlt. Bixby setzte seinen Erfolg im Fernsehen als Star der ABC-Sitcom The Courtship of Eddie's Father (1969-1972) fort, in der er einen Witwer spielte, der sich um seinen kleinen Sohn, gespielt von Brandon Cruz, kümmert. Er spielte auch in The Magician (1973-1974) als der berühmte Magier Anthony Blake, der auch ein Detektiv ist. Der größte Hit seiner Karriere sollte in den späten 1970er Jahren kommen, als er die Rolle des David Banner in der CBS-Fernsehserie The Incredible Hulk mit Lou Ferrigno als Hulk spielte. Die Serie basiert auf der von Stan Lee und Jack Kirby geschaffenen Figur. Nach dem Erfolg der Serie wurden drei Filme für das Fernsehen gedreht: The Incredible Hulk Returns (1988), Regie: Nicholas Corea; The Trial of the Incredible Hulk (1989); und The Death of the Incredible Hulk, Regie: Bixby.
Bill Bixby wurde für seine Arbeit in The Courtship of Eddie's Father (1969), The Streets of San Francisco (1972) und Rich Man, Poor Man (1976) für drei Emmy Awards nominiert.