Woody Harrelson voksede op i Lebanon, Ohio. Han studerede teater og engelsk ved Hanover College, Indiana, og begyndte i New York Theatre som en reserve i Neil Simons 'Biloxi Blues'.

Efterhånden fik han rollen som Woody i TV-serien 'Sams Bar' i 1982, og hans første film var 'Wildcats' fra 1986, men hans karriere ville endnu ikke tage fart. Han fortsatte på teateret i L.A. i stykker som 'Zoo Story', '2 on 2' (hans eget basketball-drama) og 'Brooklyn Laundry'.

I 1991 fik han sin første store rolle i filmen 'Doc Hollywood', og den efterfølgende Hvide mænd kan ikke dunke fra 1992 gjorde ham til et stort navn. Herfra gik han direkte til filmene 'Et frækt tilbud' (1993) og Natural Born Killers (1994).

Han har i nyere tid haft roller i blandt andet 2012, Zombieland, Now You See Me, Out of the Furnace og The Hunger Games.

Harrelson har desuden opnået anerkendelse for sin rolle i HBO-serien True Detective.