Un documento legal recientemente descubierto indica que Byrd nació en 1540, o bien, a finales de 1539, y no en 1543 como habían sostenido algunos biógrafos. Al igual que muchos otros jóvenes virtuosos del Renacimiento, Byrd inició sus estudios instrumentales y teóricos a una edad muy temprana. Muy seguramente, cantó en la Chapel Royal (capilla Real) en el transcurso del reinado de María I de Inglaterra (1553/58), bajo la dirección de Thomas Tallis.
Aunque aparentemente fue un compositor anglicano, ligado estrechamente a la reina Isabel I de Inglaterra, Byrd recibió una influencia católica acusada. Según el historiador de música John Harley, Byrd era el único miembro de su familia simpatizante con el catolicismo. Su hermano John era un miembro fiel de la Iglesia anglicana en Southwark, mientras que su hermana, su sobrino y su sobrina se casaron con protestantes.
Escribió mucha música sacra según el rito católico romano, si bien lo hizo de manera intermitente, sobre todo en sus últimos años; los graduales son un buen ejemplo. Probablemente, a raíz de ello, no obtuvo un reconocimiento amplio y merecido durante su vida, pero se ganó el respeto de la comunidad católica.