Billie Joe Armstrong nació el 17 de febrero de 1972 en Oakland, California, en el pueblo de Rodeo al suroeste de Estados Unidos. Es el más pequeño de una familia de clase media-baja con seis hijos. Su madre, Ollie Armstrong, era camarera en un bar cercano y su padre, Andrew M. Armstrong, más conocido como Andy, era camionero y solía tocar la batería en un grupo de Jazz cuando disponía de tiempo libre. Le detectaron cáncer de esófago, y dos meses después, el 16 de septiembre del año 1982, fallece. Lo que inspiró al joven Billie Joe a escribir una de las canciones más reconocidas de Green Day "Wake me up when September ends" ("Despiértame cuando acabe septiembre").
La pasión por la música le venía desde muy pequeño, cuando rondaba la edad de 5 años, grabando un sencillo, en el cual suena un trozo en la introducción de "María" en International Superhits, que se llamaba "Look For Love", en una compañía local llamada Fiat Records.

En 1982 cuando tenía 10 años conoció a Mike Dirnt, y comprobaron que compartían los mismos gustos musicales. Juntos tocaban canciones, así que decidieron formar una banda, a la cual llamaron Sweet Children. El primer álbum que compró fue The Sun Sessions, de Elvis Presley