Issu de l'Actors Studio, Keitel, ancien marine, débute sa carrière aux côtés de
Martin Scorsese et Robert De Niro dans des films tels que Who's That Knocking at My Door (1967)
Mean Streets (1973) et
Taxi Driver (1976). Il quitte le tournage d'
Apocalypse Now, pour divergence de vue avec le réalisateur
Francis Ford Coppola (1979), au bout de deux semaines (en 1998, il quittera également le tournage du dernier film de
Stanley Kubrick,
Eyes Wide Shut).
En disgrâce dans les studios américains, il tourne alors dans des productions européennes :
La Mort en direct de
Bertrand Tavernier (1980) et
La Nuit de Varennes d'
Ettore Scola (1982).
À partir de 1992, sa carrière trouve un second souffle, notamment avec
Reservoir Dogs de
Quentin Tarantino en 1992, mais aussi Bad Lieutenant d'
Abel Ferrara (1992) ou La Leçon de piano de
Jane Campion (1993). Ces films lui offrent une célébrité qu'il n'avait pas alors conquise et lui permettent de mener sa carrière entre films d'auteurs et grosses productions hollywoodiennes.
En 2008, Harvey Keitel se diversifie puisqu'il obtient son tout premier rôle récurrent dans une série télévisée : il s'agit de Life on Mars, l'adaptation américaine de la série britannique du même nom.