Er war der Sohn des Inhabers der Maschinenfabrik Fritsch & Brattig Lothar Fritsch und dessen Ehefrau Anni, geborene Bauckmann. Nach dem Konkurs der Firma zogen seine Eltern mit ihm 1912 nach Berlin, wo der Vater seit 1910 als Betriebsleiter bei Siemens tätig war. Dort begann Willy Fritsch 1915 eine Mechanikerlehre, die er allerdings abbrach. Nach Hilfstätigkeiten am Berliner Landgericht hatte er kleine Einsätze als Komparse im Chor des Großen Schauspielhauses.
1919 nahm Willy Fritsch Schauspielunterricht an der Reinhardt-Schule und erhielt bald kleinere Rollen an dessen Deutschem Theater. Ab 1920 drehte Fritsch regelmäßig Filme, vorzugsweise als jugendlicher, eleganter Charmeur und Liebhaber und war sehr erfolgreich in dieser Rolle mit berühmten Kolleginnen seiner Zeit, wie Henny Porten, Ossi Oswalda und Lilian Harvey, der er sicher, auch wegen einer realen Liaison, zum Teil seinen endgültigen Durchbruch verdankte.
Von 1929 an drehte Willy Fritsch – meist mit Lilian Harvey – Tonfilme. Da es sich häufig um Musikkomödien handelte, nahm er auch Gesangsunterricht. In Melodie des Herzens (1929) sprach er den ersten Satz des deutschen Tonfilms: „Ich spare nämlich auf ein Pferd.“ Jetzt und in den folgenden Jahren wurden viele Melodien aus seinen Filmen zu bekannten und erfolgreichen Schlagern, wie Ein Freund, ein guter Freund (Die Drei von der Tankstelle, 1930), Das gibt's nur einmal (Der Kongreß tanzt, 1931), Wenn ein junger Mann kommt (Frauen sind doch bessere Diplomaten), Ich tanze mit dir in den Himmel hinein (Sieben Ohrfeigen), Chinamann oder Wenn der weiße Flieder wieder blüht. Seine Gagen erreichten Rekordhöhen. 1937 heiratete Willy Fritsch die Schauspielerin und Tänzerin Dinah Grace (Ilse Schmidt), mit der er die Söhne Michael und Thomas Fritsch (letzterer ebenfalls Schauspieler) bekam. 1939 endete seine Zusammenarbeit mit Lilian Harvey mit dem Film Frau am Steuer, da diese nach Frankreich emigrierte. Er wurde auf Druck seines Ortsverbandes NSDAP-Mitglied, blieb aber in den Filmen – bis auf eine Ausnahme (Propagandafilm Junge Adler 1944) – unpolitisch.
Fritsch wurde als Parteimitglied Präsidialrat der Kameradschaft der deutschen Künstler. Im August 1944, in der Endphase des Zweiten Weltkriegs nahm ihn Goebbels in die Gottbegnadeten-Liste der Schauspieler auf, die er für die Filmproduktion brauchte, womit Fritsch vom Kriegsdienst freigestellt wurde.[1]
Nach Kriegsende zog er nach Hamburg, und seine Rollen wandelten sich vom Geliebten zum Vater, wie seine Rolle als Romy Schneiders Vater in deren ersten Film 1953; an die früheren Erfolge konnte er jedoch nicht mehr anknüpfen. Nach dem Tod seiner Frau (1963) zog sich Willy Fritsch bald vollständig von Film und Öffentlichkeit zurück. Seinen letzten Film drehte er an der Seite seines Sohnes Thomas Fritsch im Jahre 1964 (Das hab ich von Papa gelernt). Er hinterlässt ein Filmwerk von über 120 Filmen. Willy Fritsch wurde auf dem Hauptfriedhof Ohlsdorf in Hamburg beerdigt.