Diplomatosi al college di Hanover in Indiana, Harrelson si è trasferito a New York dove ha iniziato a lavorare a teatro con la commedia di Neil Simon "Biloxi Blues".
Nell 1982 arriva al successo con la serie tv "Cin Cin" che gli vale un Emmy, il premio dedicato alle produzioni televisive americane, come migliore attore non protagonista.
Il debutto sul grande schermo arriverà invece nel 1986 con "Wildcats" in cui recita accanto all'amico Wesley Snipes. Ancora con Snipes, dopo altre parti in film TV, reciterà in "Chi non salta bianco è" brillante commedia di Ron Shelton che ottiene grandi incassi al botteghino e lo lancia definitivamente.
Nel 1993 è accanto a Robert Redford e Demi Moore in "Proposta indecente" ai quali seguono "Assassini nati" di Oliver Stone e "Money train" terzo film con Snipes.
Dello stesso anno "Figlia in carriera" e "Sonny & Pepper due irresistibili cowboy".
Nel 1996 interpreta Roy Munson in "Kingpin" dei fratelli Farrelly e il ruolo del dottor Reynolds in "Verso il sole" di Michael Cimino e ancora Larry Flynt nel controverso "Larry Flynt oltre lo scandalo" di Milos Forman.
Successivamente è la volta di "Benvenuti a Sarajevo" (1997), "Sesso & potere" (1997), "La sottile linea rossa" di Terrence Malick e "Ed Tv"(1999) di Ron Howard con Matthew McConaughey. Nel 2001 lavora in "Incontriamoci a Las Vegas" con Antonio Banderas e "American Saint" in cui interpreta se stesso in un viaggio on the road alla scoperta di Jack Kerouac.
Nel 2003 è Woods in "Scorched" di Gavin Grazer, Garry in "Terapia d'urto" con Jack Nicholson, Adam Sandler e Marisa Tomei.
Per Spike Lee recita in "Lei mi odia" (2004) e con Pierce Brosnan, Salma Hayek e Don Cheadle in "After the sunset" (2004).
Ha girato "Big white" di Mark Mylod con Robin Williams, "North country" di Niki Caro con Charlize Theron, "A Prairie Home Companion" ('Radio America', 2006) di Robert Altman, "A Scanner Darkly" (2006) accanto a Keanu Reeves e Winona Ryder e "No Country for Old Men" (2007).
Ha lavoranto al film "Pinkville" (2008) di Oliver Stone e "Transsiberian" di Brad Anderson.
Nel 2009 è protagonista della commedia "Zombieland" di Ruben Fleischer ed ha lavorato nel film di Oren Moverman "Oltre le regole" (2010).