Il se consacre à la photographie en 1932, lorsque par obligations familiales il entre à l’atelier photographique de son père. Quatre ans plus tard, à la mort de ce dernier, il décide d’être photographe, reporter et illustrateur indépendant et quitte l’atelier.
 
À partir de 1936, Willy Ronis privilégie le reportage. Avec la montée du Front populaire, il partage les mêmes idéaux que Robert Capa et David Seymour (Chim), photographes déjà célèbres. Il a également l'occasion de connaître Kertész, Brassaï et Cartier-Bresson. Mais, par rapport à la vision de ses pairs, il développe une véritable originalité, marquée par l'attention portée à « l'harmonie chorale des mouvements de foule et à la joie des fêtes populaires ».
 
Après la Seconde Guerre mondiale, Willy Ronis entre à l'agence Rapho et soutenu par son ami Romeo Martinez, collabore à Regards, Time ou Life.
 
Il remporte le prix Kodak en 1947, puis la Médaille d’or à la Biennale de Venise en 1957. Belleville-Ménilmontant, Sur le fil du hasard (album pour lequel il reçoit le prix Nadar en 1981) et Mon Paris sont parmi les livres importants qu'il a publiés. On a alors pu dire qu’avec Robert Doisneau et Édouard Boubat, c’est « l'un des photographes majeurs de cette école française de l'après-guerre qui a su concilier avec talent les valeurs humanistes et les exigences esthétiques du réalisme poétique ». Il participe dans les années 1950 au groupe des XV aux côtés de Robert Doisneau, de Pierre Jahan ou de René-Jacques pour défendre la photographie comme une véritable expression artistique.
 
Au cours des années 1970-1980, parallèlement à ses activités de photographe, Willy Ronis consacre beaucoup de temps à l'enseignement : à l'École d'art d'Avignon, puis aux facultés d'Aix-en-Provence et de Marseille. Il y crée un cours d’histoire de la photographie et rencontre alors Pierre-Jean Amar. En 1972, il s'installe à L'Isle-sur-la-Sorgue (Vaucluse).
 
Il remporte en 1979, le Grand prix national des Arts et des Lettres pour la Photographie et est Invité d’honneur de la 11e édition des Rencontres d’Arles en 1980. Il est nommé Chevalier de la Légion d’Honneur en 1989.
 
L’exposition « Willy Ronis à Paris » est présentée à l’Hôtel de Ville de Paris, en 2005, à l’occasion de son 95e anniversaire.
Aujourd’hui son œuvre est exposée dans le monde entier et ses images figurent dans les collections des plus grands musées.
 
Willy Ronis lègue son œuvre à l'État français en faisant, en 1983,  une donation de ses archives à effet post mortem.