Attivo principalmente dagli anni settanta e ottanta (la sua attività si è limitata a pochi titoli negli anni successivi), Willis è entrato nella storia del cinema americano per essere stato il direttore della fotografia della trilogia de Il padrino di Francis Ford Coppola e per aver dato luci e ombre ad alcuni indimenticati capolavori di Woody Allen, come Io e Annie, Manhattan, Interiors e Zelig.
Due volte candidato all'Oscar (1984 e 1991), non si è mai aggiudicato la statuetta sebbene la critica gli abbia riconosciuto un ruolo decisivo nella realizzazione delle atmosfere dei suoi film, anche e soprattutto in quelli poi effettivamente premiati con l'Oscar (è il caso de Il padrino e Io e Annie, migliori film dell'anno, 1972 e 1977). Si è anche cimentato con la regia, firmando il cupo Windows, dove ha diretto Talia Shire. Oltre a Coppola e Allen, ha spesso lavorato anche con Alan J. Pakula.
Caratteristiche
A Willis va riconosciuta una capacità fuori dall'ordinario di filmare sequenze notturne o in penombra (è stato per questo soprannominato "The Prince of darkness"), che contribuiscono ad alimentare conflitti interiori dei protagonisti e situazioni di estrema suspense: è evidente nella trilogia de Il Padrino, in cui la sua "mano" si vede in ogni dettaglio.
Con Allen la sua attività si differenzia maggiormente: "(...) In Manhattan e Stardust Memories usa uno splendido b/n, passando poi a un'illuminazione solare e pastorale per Una commedia sexy in una notte di mezza estate", toccando anche ricostruzioni d'epoca e atmosfere rarefatte e retrò in La rosa purpurea del Cairo e soprattutto realizzando un altro b/n suggestivo e particolare, quello del "finto documentario" di Zelig, per cui venne candidato per la prima volta all'Oscar.