Fils de Lothar Fritsch, propriétaire d'une petite usine de machines-outils Fritsch & Brattig en Silésie, alors allemande, et de son épouse née Anni Bauckmann, il déménage à Berlin en 1912, lorsque son père, ayant fait faillite est employé par Siemens. Willy Fritsch y est d'ailleurs apprenti en 1915. Il donne aussi la réplique plus tard sur la scène du Grand Théâtre de Berlin (devenu plus tard le Théâtre du Peuple. Il est pris en 1919 aux cours de théâtre de Max Reinhardt et est engagé pour de petits rôles au Deutsches Theater. Il découvre le cinéma dans les années 1920, où il interprète des rôles de jeune premier et de séducteur aux côtés de
Lilian Harvey, Henny Porten ou Ossi Oswalda. Il joue pour le cinéma parlant à partir de 1929, souvent dans des comédies musicales du genre Schlager, où sa partenaire préférée (jusqu'en 1939) est souvent Lilian Harvey. Il remporte un grand succès avec
Le Chemin du paradis (Die Drei von der Tankstelle), réalisé par Wilhelm Thiele, où il chante la célèbre chanson Ein Freund, ein guter Freund (Un ami, un bon ami), ou encore avec Le Congrès s'amuse (1931) qui se passe à l'époque du Congrès de Vienne en 1815.
Il enregistre des records d'audience et est connu dans tous les territoires germanophones et au-delà. Il se marie en 1938 avec la danseuse Dinah Grace qui lui donnera deux fils, Michael et Thomas. A cette époque, Willy Fritsch n'exprime pas de convictions politiques publiques, mais il prend par opportunisme sa carte au NSDAP. Il ne jouera que dans un seul film, considéré plus tard comme de propagande : Die Junge Adler (Les Aiglons) (1944).
Il s'installe à Hambourg après la guerre et interprète désormais des rôles de père, comme avec
Romy Schneider dans Lilas blancs en 1953. Après la mort de sa femme en 1963, il s'éloigne petit à petit des écrans et de la scène.
Il est enterré au cimetière d'Ohlsdorf à Hambourg.