Es el menor de una familia de seis hijos que vivían en Rodeo, California. Su padre, Andy Armstrong, era camionero y baterista de jazz que murió de cáncer de esófago cuando Billie tenía diez años. Antes de morir le regaló a Billie su primera guitarra a la cual llamó Blue y llenó de calcomanías, pegatinas y pinturas, muchas roturas y las iniciales de su nombre (BJ) pintadas en rojo. Esta guitarra es una copia de una Fender Stratocaster. Hoy en día, Billie tiene cientos de copias de esta guitarra las cuales usa en los conciertos, la mayoría de las veces, para tocar en medio tono más bajo de lo normal, y en canciones pertenecientes a los discos Dookie e Insomniac, Blue se puede ver en el video clip de "Hitchin' a Ride". La perfección de las copias, según Billie, es impresionante. Su madre, Ollie, era camarera en el restaurante Rod's Hickory Pit, donde Billie y su amigo Mike Dirnt trabajaron en su adolescencia. Su nombre se escribe con 'ie' (en femenino), en vez de Billy, porque su madre cuando fue a hacer la partida de nacimiento estaba bajo los efectos de la medicación del parto, o como dice en las notas de 1,039/Smoothed Out Slappy Hours, "La madre de Billie escribió mal su nombre en la partida de nacimiento porque estaba colocada". Es el único miembro de la banda que usa su auténtico nombre. Siendo joven se fue a vivir a una casa okupa junto con su muy amigo Mike Dirnt donde se crió y se dio a conocer en la escena Punk rock.

La pasión por la música le venía de pequeño, cuando rondaba la edad de 5 años, su madre le llevaba a cantar y repartir huevos de Pascua a los enfermos del hospital de Berkeley, e incluso grabó un single, el cual suena un trozo en la introducción de María en International Superhits, se llamaba Look For Love.

En 1982 cuando tenía 11 años conoció a Mike Dirnt, en la cafetería del colegio, y comprobaron que compartían gustos musicales. Juntos tocaban canciones de Ozzy Osbourne, Queen, Def Leppard, y Van Halen.

Cuando tenía 15 años , era fan de las bandas de hard rock y heavy metal del momento, pero sus hermanos Allan y David seguían a las bandas de punk de la zona. Cuando escuchó Holidays the Sun, primera pista del álbum Never Mind the Bollocks, Here's the Sex Pistols de los Sex Pistols, en la casa de una amiga, se convirtió en un "punk-rocker".

La primera canción que compuso fue a los 14 años "Why Do You Want Him", escrita en 1986, sobre su madre y el novio que esta tenía, y aparece en 1,039 Smoothed Out Slappy Hours.

A la edad de 15 años, ya era bien conocido por muchos miebros de la movida All Ages (para todas las edades) del punk de Gilman Street, en Berkeley, en la que no le dejaron entrar a un concierto de Operation Ivy por ser menor de edad y uno de los miembros salió a buscarlo para que lo dejasen entrar.

En el instituto le apodaban “Two Dollar Bill” porque solía vender porros por dos dólares. De hecho, Billie Joe fue expulsado del instituto Pinole Valley High School un día antes de cumplir los 18 años, y es en ese momento cuando decide dedicarse completamente a la banda.

En 1988, Billie Joe formó una banda llamada Sweet Children con su amigo Mike Dirnt y un compañero de clase, Al Sobrante. Se cambiaron el nombre a Green Day en marzo de 1989, justo antes de sacar el primer EP "1,000 Hours", en Lookout Records.

Está casado con Adrienne Nesser, con quien contrajo matrimonio el 2 de julio de 1994 en una ceremonia de 5 minutos en el patio trasero de su casa. Se dice que él y Adrienne estaban borrachos cuando contrajeron matrimonio para calmar los nervios. El día después de la boda se dio cuenta de que estaba embarazada de su primer hijo, Joseph Armstrong, que nació en marzo de 1995 y tres años después, su segundo hijo, Jakob Armstrong nacido en septiembre de `1998.

Él y Adrienne son co-fundadores de Adeline Records, un sello independiente en el que graba muchas bandas del área de la bahía de San Francisco. Tiene proyectos alternativos en su otra banda Pinhead Gunpowder que está bajo el sello de Lookout! Records, y the foxboro hot tubs banda en la que participan tambien Mike Dirnt y Tré Cool, bajista y baterista de Green Day

Ha tocado con bandas como U2, The Influents, Corrupted Morals, Rancid, the Lookouts, blink-182, Goodbye Harry, y Blatz.

Armstrong es un afiliado al Partido Libertario de California, aunque en las elecciones presidenciales de 2004 mostró su apoyo hacia el candidato John Kerry, del Partido Demócrata y en las últimas elecciones norteamericanas mostró al público su apoyo junto al resto de Green Day por el candidato Barack Obama, actual Presidente de los Estados Unidos de América.

Fuentes: Wikipedia y GDA.