Après avoir obtenu un diplôme d'anglais et d'art dramatique au Hanover College dans l'Indiana, Woody Harrelson débute sa carrière sur le petit écran. En 1982, il rejoint le casting de la série américaine à succès Cheers. Puis il débute au cinéma en interprétant un étudiant, joueur de football américain, dans la comédie Wildcats (1986).
Dans ce premier film, Woody Harrelson a pour partenaire Wesley Snipes, à qui il donnera de nouveau la réplique dans Les blancs ne savent pas sauter et le film policier Money Train. Il devient ensuite l'époux de Demi Moore dans Proposition indécente en 1993.
Le succès s'offre à lui après avoir occupé la tête d'affiche de deux films controversés : Tueurs nés d'Oliver Stone, où il incarne Mickey Knox, un serial killer, adepte de l'ultra-violence gratuite, et
Larry Flynt de Milos Forman. Sa prestation de nabab du porno américain lui vaut une nomination à l'Oscar du meilleur acteur.
Jouissant grâce à ces deux films d'un prestige grandissant, Woody Harrelson se tourne vers des rôles plus « sages » : cancérologue pris en otage dans The Sunchaser, journaliste britannique prenant fait et cause pour une adolescente bosniaque dans
Welcome to Sarajevo, petit fermier revendiquant son indépendance dans The Hi-Lo Country, frère cocu de Matthew McConaughey dans En direct sur Edtv ou encore boxeur, partenaire d'Antonio Banderas dans Les Adversaires. Parallèlement, il n'hésite pas à se contenter de petits rôles ou de simples apparitions dans Des hommes d'influence, Self Control, où il interprète un travesti, et She Hate Me de Spike Lee.
En 2005, il donne la réplique à Charlize Theron dans L'Affaire Josey Aimes, puis rejoint le casting du dernier film de Robert Altman, The Last Show, ainsi que celui de
A Scanner Darkly de Richard Linklater, aux côtés de Keanu Reeves et Robert Downey Jr.. Membre de l'opéra sanglant orchestré par Joel et Ethan Coen en 2007 pour No Country for Old Men, Woody Harrelson effectue ensuite un impressionnant grand écart en passant d'un drame centré sur les manifestations anti-OMC de 1999 dans Bataille à Seattle de Stuart Townsend à une comédie sur le basket avec Will Ferrell dans Semi-pro.
En 2008, il joue dans la dernière production de l'allemand Roland Emmerich,
2012, inspirée d'une soit disante "prophétie Maya" datant la fin de nos civilisations le 21 décembre 2012. En 2009, il joue dans le film Bienvenue à Zombieland dans le rôle d'un des survivants, Tallahassee.