Bill Bixby a profitat din plin de cariera sa în televiziune. Printre creditele sale pe marele ecran se numără: Irma la Douce (1963), cu Jack Lemmon, și regizat de Billy Wilder; Ride Beyond Vengeance (1966), western cu Chuck Connors; și două filme cu Elvis Presley, Clambake (1967) și Speedway (1968). Primul său serial de televiziune a fost My Favorite Martian (Marțianul meu favorit), în care a jucat rolul lui Tim O'Hara și l-a avut ca partener pe Ray Walston. Serialul a fost difuzat pe CBS din 1963 până în 1966. Bixby a continuat să aibă succes la televiziune ca protagonist al sitcomului ABC The Courtship of Eddie's Father (1969-1972), unde a jucat rolul unui văduv care are grijă de fiul său mic interpretat de Brandon Cruz. De asemenea, a jucat în The Magician (1973-1974), în rolul unui magician celebru, Anthony Blake, care este și detectiv. Cel mai mare succes al carierei sale avea să vină la sfârșitul anilor 1970, jucând rolul lui David Banner în serialul de televiziune CBS The Incredible Hulk, cu Lou Ferrigno în rolul lui Hulk. Serialul se baza pe personajul creat de Stan Lee și Jack Kirby. După succesul serialului, au urmat trei filme filmate pentru televiziune: The Incredible Hulk Returns (1988), regizat de Nicholas Corea; The Trial of the Incredible Hulk (1989); și The Death of the Incredible Hulk, regizat de Bixby.
Bill Bixby a fost nominalizat la trei premii Emmy pentru activitatea sa în The Courtship of Eddie's Father (1969), The Streets of San Francisco (1972) și Rich Man, Poor Man (1976).