Grâce aux relations de son père, Willette étudie quatre années aux Beaux-Arts. Il est élève de Cabanel et se présente au prix de Rome. Installé dans une mansarde du Quartier latin, il participe aux réunions des Hydropathes à partir de 1878 puis à celles des Hirsutes en 1879. Il commence à fréquenter les établissements montmartrois et à se travestir en Pierrot mais il souffre d’une grande misère et envisage le suicide. Aidé une nouvelle fois par les relations de son père, il publie dans Le Figaro. En 1881, il expose pour la première fois une toile au Salon. Willette fréquente le Chat Noir dès son ouverture en octobre 1881 et dessine la première enseigne du cabaret. Il déménage à Montmartre, fréquente les cabarets du Lapin agile, participe aux « Dîners de la soupe et le bœuf » de Jules Jouy et à différentes actions polémiques qui le conduisent au poste de police. A partir de 1885, il collabore au Courrier français qui s’associe au groupe des Incohérents. Les panneaux qu’il peints pour l’Auberge au clou en 1887 lui permettent de gagner de l’argent. En 1888, il organise sa première exposition. Jusqu’en 1900, il se consacre exclusivement au dessin de presse. Il lance avec Émile Goudeau la revue Le Pierrot, publie l’album Pauvre Pierrot, continue à collaborer au Courrier français, à des revues anarchistes et antisémites. Son goût pour le travestissement se manifeste lors de différentes fêtes, bals, et cortèges montmartrois. A partir de 1895, il fréquente assidûment le cabaret des Quat’z’Arts. Il consacre beaucoup d’énergie à l’organisation du cortège charivarique des Valchacades en 1896 et 1897. Au fil des années et de ses nombreuses illustrations polémiques, Willette se fait une réputation d’artiste anglophobe, antiprotestant et antibérangiste. Son antisémitisme, pourtant assumé, n’est pas particulièrement signalé. En 1899, il épouse Eva Fleury. Il dessine pour le premier numéro de L’Assiette au beurre (1901) et du journal anarchiste Canard sauvage (1903). S’étant remis à la peinture, il expose quatre toiles au Salon en 1901. En 1904, il déménage avec sa femme et quitte Montmartre. Le recueil 100 dessins de Willette paraît en 1904. Il réalise les décors de plusieurs établissements comme le Bal Tabarin, la Taverne de Paris, une salle de la Comédie française. En 1911, une grande exposition lui est consacrée au pavillon Marsan, au Louvre. Pendant la guerre, Willette, réformé, se retire à Boisrobert mais il reste très attaché à la vie montmartroise et se rend régulièrement à Paris. Il continue à publier des dessins dans la presse, fonde la République de Montmartre en 1920, mais il est dépassé par les nouvelles générations d’artistes qui gravitent désormais à Montparnasse. Depuis plusieurs années, Willette souffre de dépression et de démence. Il meurt en 1926.


Au regard de l’abondance de son œuvre, les contributions de Willette pour le théâtre restent très ponctuelles et s’avèrent souvent liées à sa pratique graphique. En 1886 par exemple, il crée des numéros de clowns pour le cirque Fernando dont il réalise les programmes illustrés. La seule pièce d’ombres qu’il signe pour le théâtre du Chat Noir, L’Âge d’or (créée en 1887) est l’adaptation d’une de ses « histoires sans parole » précédemment publiée dans la revue du cabaret. Il fera de même, bien plus tard en 1911, avec la pantomime Pierrot jardinier, créée avec la musique de Bunck et le mime Farina, d’après des dessins publiés dans Le Courrier français en 1892. Inversement, ses dessins de presse pouvaient directement s’inspirer du théâtre comme ses dessins publiés en 1888 dans la Revue illustrée d’après la pantomime Pierrot assassin de sa femme de Paul Margueritte.