Woody Harrelson est le fils de Diane Lou et Charles Voyde Harrelson, un tueur à gages qui fut condamné à perpétuité en 1979 pour le meurtre du juge fédéral John H. Wood. Woody Harrelson et ses frères ont été élevés par leur mère. En 1983, il sort diplomé avec un bachelor of arts in theater arts.
Après quelques rôles de figuration, Il fait ses débuts à la télévision, dans la série Cheers, en 1985. Il y tiendra son rôle jusqu'en 1993, avec à la clé un Emmy Awards et cinq nominations. En 1999, il fera une apparition dans le spin-off de Cheers, Frasier, ce qui lui vaudra une nouvelle nomination aux Emmy Awards. Toujours pour la télévision, il est aussi un régulier de la série Will and Grace (où il joue le petit ami de Grace).
Au cinéma, son premier rôle notable fut dans femme de choc, en 1986, aux côtés de Goldie Hawn et Wesley Snipes. Les deux hommes deviennent amis, et se retrouveront par la suite dans les blancs ne savent pas sauter puis dans Money Train. En 1993, Woody Harrelson obtient un rôle de premier plan, face à Demi Moore et Robert Redford dans proposition indécente. Un rôle qui lui vaudra le Razzie Award du pire acteur dans un second rôle!
En 1994, Oliver Stone lui propose le rôle principal de tueurs nés, un rôle qui lui apportera un certain succès. Mais c'est Milos Forman et son Larry Flynt qui feront de Woody Harrelson une star. L'acteur se verra d'ailleurs nominé pour le Golden Globe et l'Oscar pour ce film.
On le retrouve à partir de là dans des films prestigieux comme la ligne rouge (cité à sept Oscars), En direct sur EdTV, She Hate Me, L'Affaire Josey Aimes, et bien sur No Country for Old Men, le film remportant quatre Oscars sur huit nominations, ainsi que le SAGA du meilleur casting. En 2010, The Messenger rapporte une nouvelle nomination à l'Oscar pour l'acteur.
En 2009, on le retrouve dans deux films à succès à tendance apocalyptique: 2012 et bienvenue à Zombieland.