Il est le fils du tueur à gages Charles Harrelson (1938-2007) né à Huntsville (Texas) (qui prétend avoir participé au complot de l'assassinat de John F. Kennedy, avec Lee Harvey Oswald). Charles Harrelson a été emprisonné à vie en 1979 à l'ADX Florence pour le meurtre du juge fédéral John H. Wood, {{Jr.}} le 29 mai 1979 à San Antonio. Sa mère est Diane Lou née Oswald à Lebanon (Ohio). Il va s'installer dès 1973 (9 ans après le divorce de ses parents) avec sa mère dans la ville natale de cette dernière.
Après avoir obtenu un diplôme d'anglais et d'art dramatique au Hanover College dans l'Indiana, Woody Harrelson commence sa carrière sur le petit écran. En 1985, il rejoint le casting de la série américaine à succès Cheers. Puis il débute au cinéma en interprétant un étudiant, joueur de football américain, dans la comédie Wildcats (1986).
Dans ce premier film, Woody Harrelson a pour partenaire Wesley Snipes, à qui il donnera de nouveau la réplique dans Les blancs ne savent pas sauter et le film policier Money Train. Il devient ensuite l'époux de Demi Moore dans Proposition indécente en 1993.
Le succès s'offre à lui après avoir occupé la tête d'affiche de deux films controversés : Tueurs nés d'Oliver Stone, où il incarne Mickey Knox, un serial killer, adepte de l'ultra-violence gratuite, et Larry Flynt de Miloš Forman. Sa prestation de nabab du porno américain lui vaut une nomination à l'Oscar du meilleur acteur.
Jouissant grâce à ces deux films d'un prestige grandissant, Woody Harrelson se tourne vers des rôles plus « sages » : cancérologue pris en otage dans The Sunchaser, journaliste américain prenant fait et cause pour une adolescente bosniaque dans Bienvenue à Sarajevo, petit fermier revendiquant son indépendance dans The Hi-Lo Country, frère cocu de Matthew McConaughey dans En direct sur Edtv ou encore boxeur, partenaire d'Antonio Banderas dans Les Adversaires. Parallèlement, il n'hésite pas à se contenter de petits rôles ou de simples apparitions dans Des hommes d'influence, Self Control, où il interprète un travesti, et She Hate Me de Spike Lee.
En 2005, il donne la réplique à Charlize Theron dans L'Affaire Josey Aimes, puis rejoint le casting du dernier film de Robert Altman, The Last Show, ainsi que celui de A Scanner Darkly de Richard Linklater, aux côtés de Keanu Reeves et Robert Downey Jr.. Membre de l'opéra sanglant orchestré par Joel et Ethan Coen en 2007 pour No Country for Old Men, Woody Harrelson effectue ensuite un impressionnant grand écart en passant d'un drame centré sur les manifestations anti-OMC de 1999 dans Bataille à Seattle de Stuart Townsend à une comédie sur le basket avec Will Ferrell dans Semi-pro.
En 2008, il joue dans 2012, inspirée d'une prophétie Maya qui daterait la fin de nos civilisations le {{date}}. En 2009, il joue dans le film Bienvenue à Zombieland dans le rôle d'un des survivants, Tallahassee.
En 2011, il a été invité par Ziggy Marley à chanter le titre éponyme de son album Wild and Free.
En 2012, il joue le rôle de Haymitch Abernathy dans le premier volet de la série de films Hunger Games, tiré de la saga du même nom, et le reprend en 2013 dans le second volet, l'Embrasement. Ce rôle le fera connaître auprès d'un public plus jeune. En 2013, il fait partie du casting du film Insaisissables aux côtés de Mark Ruffalo, Morgan Freeman, Michael Caine et réalisé par le français Louis Leterrier, il joue le rôle du mentaliste dans l'équipe de magiciens les 4 cavaliers.
En 2014, il donne à nouveau la réplique à Matthew McConaughey dans la première saison de la série d'HBO, True Detective, qui remporte à la fois un succès critique et public.
En 2015, il joue le rôle principal d'un court-métrage support à la chanson de U2 Song for Someone. Il y est accompagné de sa fille, Zoé.