W kilka miesięcy po śmierci pierwszego męża wyszła powtórnie za mąż, ale drugi mąż szybko opuścił rodzinę.
Gdy Billy Sunday miał dziesięć lat, matka posłała go wraz z bratem do sierocińca w Glenwood, a później do sierocińca w Davenport. W sierocińcu otrzymał wykształcenie podstawowe, nabył nawyk do porządku i dyscypliny i uświadomił sobie, że ma predyspozycje do sportu. W wieku 15 lat zamieszkał ze swoim dziadkiem.
W wieku czternastu lat Sunday pracował na farmie pułkownika Johna Scotta, polityka i biznesmena, gdzie doglądał m.in. kuca szetlandzkiego. Znajomość ze Scottem umożliwiła mu podjęcie studiów w Nevada High School, której poziom nauczania był jednym z najwyższych w regionie. Nie ukończył szkoły, jednak zdobył tam wysoki poziom wykształcenia.
W tym czasie zaczął też odnosić sukcesy sportowe. Był pierwszym Amerykaninem, który przebiegł 100 jardów w 10 sekund.
W 1880 roku zamieszkał w Marshalltown (Iowa), gdzie z powodu swej atletycznej budowy zatrudniony został w straży pożarnej. Startował w zawodach organizowanych przez straż pożarną i grał w drużynie baseballowej miasta.