Né en 1936, Keir Dullea grandit à Greenwich Village (New York) où ses parents tiennent une librairie. Il fréquente diverses compagnies de théâtre avant d'apparaître dans Season of Choice (1959). Il attire rapidement l'attention de producteurs de cinéma, et décroche le rôle d'un délinquant juvénile dans Le Mal de vivre (1961), puis d'un jeune dépressif dans David & Lisa, de Frank Perry (1962). Paraissant plus jeune que son âge, il a continué à interpréter de jeunes perturbés dans des films tels que The Thin Red Line (1964), Bunny Lake a disparu (1965) et
Madame X (1966). Il brise enfin son image grâce au rôle d'un homme qui s'immisce dans un couple lesbien dans la nouvelle de D.H. Lawrence Le Renard (1968). Sa composition de l'astronaute David Bowman dans 2001, l'Odyssée de l'espace, de Stanley Kubrick (1968), lui offre une renommée internationale.
Le théâtre demeure sa principale activité. Dès 1967, il débutait à Broadway aux côtés de Burl Ives dans Dr Cook's Garden (1967) et recueille l'enthousiasme de la critique en interprétant Donny Dark, un jeune homme aveugle, dans Butterflies Are Free (1969). Puis, il est Brick dans la reprise de La Chatte sur un toit brûlant, de Tennessee Williams (1974), et joue dans différentes pièces de Broadway, telles que P.S. : Your Cat Is Dead (1975) et Doubles (1985). Quittant Hollywood pour de bon en 1982, Dullea dirige le Theatre Artists Workshop of Westport (CT), dans l'esprit de l'Actors Studio. En dehors de Broadway, il apparaît aussi dans The Other Side of Paradise (1992), un one-man show sur l'écrivain
Francis Scott Fitzgerald, et dans Molly Sweeney (1997) d'une compagnie de Caroline du Nord.