Geboren wurde Keir Dullea in Cleveland, ab seinem dritten Lebensjahr wuchs er jedoch im New Yorker Stadtteil Greenwich auf. Seinen ersten Auftritt bekam er 1961 im Film Der werfe den ersten Stein. Dullea verkörperte einen jugendlichen Straftäter, worauf ähnliche Rollen in weiteren Filmen folgten. Besonders erwähnenswert ist seine Darstellung des psychisch gehandicapten David Clemens in David und Lisa. Eine Rolle, für die Dullea mit dem Golden Globe Award in der Newcomer-Kategorie geehrt wurde.

Internationale Berühmtheit erlangte er mit der Rolle des Astronauten Dr. Dave Bowman in Stanley Kubricks 2001: Odyssee im Weltraum.

Von deutlich geringerer Bedeutung waren die Filme, in denen er im Anschluss an diesen Meilenstein mitgespielt hat. Unter anderem war er in Das ausschweifende Leben des Marquis de Sade zu sehen. Außerdem spielte er auch in 2010 – Das Jahr, in dem wir Kontakt aufnehmen mit, dem Sequel des Filmklassikers von 1968.

Neben seiner Tätigkeit vor der Kamera ist Keir Dullea auch in den späteren Jahren seiner Karriere dem Theater verbunden geblieben. 1983 gründete er mit seiner dritten Ehefrau Susie Fuller (1998 verstorben) den Theater Artists Workshop of Westport.

Seit 1999 ist Keir Dullea in vierter Ehe mit der Schauspielerin Mia Dillon verheiratet.