Keir Dullea est surtout connu pour son rôle du cosmonaute Bowman dans 2001 : L’odyssée de l’espace (1968) de Stanley Kubrick.
Auparavant, il avait brillé en incarnant le jeune protagoniste dépressif de David Liza (1962) de Frank Perry, et un kidnappeur d’enfant dans le trop méconnu Bunny Lake a disparu (1965) d’Otto Preminger.
Après le film de Kubrick, Keir Dullea fut tête d’affiche de plusieurs productions dont le giallo Le Diable dans la tête (1972) de Sergio Sollima. Mais il préféra se consacrer davantage au théâtre, où il joua Tennessee Williams, Tchekhov, Christopher Hampton…
On le vit toutefois dans plusieurs seconds rôles au cinéma, dont celui d’un sénateur dans Raison d’État (2007) de Robert De Niro.