Keith Carradine est issu d'une famille d'acteurs. Il est le fils de John Carradine, le frère de Robert Carradine et le demi-frère de David Carradine. Dès 14 ans, il développe des talents de musicien. Pendant ses études, le théâtre a été une de ses occupations.
En 1969, il auditionne pour la comédie musicale Hair, et se retrouve à Broadway pour un an de représentations.
C'est en 1970, qu'il commence sa carrière d'acteur de cinéma avec Dialogue de feu.
En 1971, il joue dans John McCabe sous la direction de Robert Altman.
Pour le film Nashville en 1975, il reçoit le Golden Globe et l'Oscar de la meilleure chanson originale. Après Les Duellistes de Ridley Scott (1977), Keith Carradine accompagne le premier grand rôle de Brooke Shields dans La Petite.
En 2002, il prête sa voix à un personnage de Les Rois du Texas (King of the Hill).
En 2004, il obtient un rôle dans la première saison de Deadwood. La même année jusqu'en juin 2005, il incarne un père de famille dans la sitcom de Mel Gibson, Les Sauvages, jusqu'à l'annulation de la série.
En 2006, il joue dans Dexter (saison 2) le rôle d'un agent du FBI, puis l'acteur réapparait dans la saison 4 de cette même série.
En 2012, il prête sa voix à Blake Dexter, l'un des personnages principaux du jeu Hitman: Absolution.