Willy Birgel wurde am 19. September 1891 als Wilhelm Maria Birgel in Köln geboren und wuchs dort zusammen mit fünf Geschwistern auf. Er besuchte nach der Volks- bzw. Oberrealschule zunächst auf Wunsch seines Vaters, der Goldschmied war, die Kunstgewerbe- und Handwerkerschule in Köln, anschließend die Kunstakademie in Düsseldorf, da er den väterlichen Betrieb übernehmen sollte. Bereits im Alter von 16 wollte Birgel, beeindruckt von dem Drama "Monna Vanna" von Maurice Maeterlinck, Schauspieler werden. Da dies den Plänen seines Vaters widersprach, wirkte er zunächst heimlich bei einer Laienbühne mit. 1912 gelang ihm dann die Aufnahme in die Kölner Schauspielschule, mit der seine Karriere beginnen sollte. Es folgten ein Schauspielvolontariat am Stadttheater Bonn und Auftritte in Dessau, Köln und Koblenz. Der Erste Weltkrieg unterbrach seine Laufbahn, und Birgel, der als Artillerist ins Feld rückte, erlangte im Lauf des Kriegs einen Offiziersrang. 1919 setzte er seine Schauspielkarriere fort und bekam am Aachener Stadttheater eine längerfristige Anstellung. Ab 1924 wurde er dann für zwölf Jahre Mitglied des Mannheimer National-Theaters, wo er sich zum eindrucksvollen Charakterdarsteller entwickelte. Große Erfolge feierte er mit Rollen wie Faust und Mephistopheles in Goethes "Faust I", Franz Moor in Schillers "Die Räuber" und den Titelfiguren in Shakespeares "Hamlet" und "Richard III.".

Durch einen Auftritt in "Die Marneschlacht" bei einem Gastspiel in Berlin wurde die Ufa auf Birgel aufmerksam, was ihm mit 43 Jahren erstmals eine Film-Nebenrolle als englischer Offizier in Paul Wegeners "Ein Mann will nach Deutschland" (1934) einbrachte. Nach anfangs eher zwielichtigen Rollen wurden bald die charmanten Grandseigneurs zu seiner Spezialität. Willy Birgel wurde zu einem der großen Publikumslieblinge. Seine erste Hauptrolle hatte er im Film "Fürst Woronzeff" als Sekretär Petroff unter der Regie von Artur Robison. Gemeinsam mit Zarah Leander, Gustaf Gründgens und Heinrich George spielte Birgel in Unterhaltungsfilmen, war aber auch in Propaganda des NS-Regimes wie zum Beispiel "Feinde" (1940) und "Kameraden" (1941) zu sehen. Joseph Goebbels ernannte ihn 1937 zum Staatsschauspieler. Birgels Mitwirkung in den Propagandafilmen und insbesondere seine Rolle als Rittmeister Ernst von Brenken in dem nationalistischen Kassenschlager "Reitet für Deutschland" (1941) führte nach dem Zweiten Weltkrieg zu einem vorübergehendem Auftrittsverbot durch die Alliierten.1947 verschaffte Erich Pommer Birgel seine erste Nachkriegsrolle in "Zwischen gestern und morgen", woraufhin er bald wieder Erfolge feiern konnte. In den 1950er Jahren war er einer der meistbeschäftigen Schauspieler und spielte u.a. Hauptrollen in "Das ewige Spiel" (1951), "Rittmeister Wronski" (1954) und "Johannisnacht" (1956).

Einen langersehnten Wunsch erfüllte er sich 1959 mit einem mehrjährigen Engagement am Schauspielhaus Zürich, und seit Mitte der 60er Jahre trat er auch am Bayerischen Staatsschauspiel auf. Seinen letzten Kinofilm drehte Birgel 1965: In Peter Schamonis "Schonzeit für Füchse" spielte Birgel einen alternden Jagdschriftsteller und ironisierte damit sein eigenes Image. In den 60er Jahren wurde er unter anderem mit dem Bambi, dem Filmband in Gold und dem Bundesfilmpreis für seine langjährige und erfolgreiche Arbeit für den deutschen Film ausgezeichnet. Neben seiner umfangreichen Arbeit für Bühne, Film und Fernsehen war Birgel als Dozent an der Essener Folkwang-Schule tätig.

Am 29. Dezember 1973 starb Willy Birgel an Herzversagen in Dübendorf bei Zürich.