Woody Harrelson, Midland, Teksas'ta dünyaya geldi. Babası Charles Voyde Harrelson (1938-2007) bir kiralık katildi ve 1979'da bir eyalet savcısını öldürdüğü için müebbet hapse mahkum edilmişti. Harrelson, annesi Diane Lou ve iki kardeşi Jordan ve Brett ile birlikte, anne babasının boşanmasının ardından 1964'te Ohio'nun Lebanon kentine taşındılar. Lebanon'da liseyi bitirmesinin ardından Indiana'daki Hanover Koleji'ne gitti ve burada Tiyatro ve İngiliz Dili bölümlerinde okudu.
Harrelson, üniversitenin ardından 1985 yılında Cheers isimli dizide oynayarak ün kazandı. Diziye 1985'te ölen Nicholas Colasanto'nun yerine barmen Woody Boyd karakteriyle dahil olan Harrelson, tam 8 sezon sürdürdüğü bu rolle kendini kabul ettirdi. 1986'da ilk sinema filmi rolünü Goldie Hawn ve Wesley Snipes'ın da oynadığı Wildcats'te buldu. Filmde kendisi gibi ilk filmi olan Wesley Snipes ile iyi arkadaş olan Harrelson, daha sonra başka filmlerde de birlikte rol aldı. Bunlardan en bilineni 1991 yapımı Beyazlar Beceremez (White Men Can't Jump) oldu. Filmde hayatını sokak basketboluyla kazanan Billy Hoyle rolünde oynadıktan sonra daha önemli yapımlarda yer bulmaya başladı. 1994'te Oliver Stone'un Katil Doğanlar'ında, 1996 yılında ise İnsanlar Larry Flynt'e Karşı filminde beyazperdede yetenekli olduğunu ispatladı. Hustler dergisinin kurucusu Larry Flynt karakteriyle Akademi Ödülüne aday gösterildi.
2003 yılında Anger Management filminde bir travestiyi canlandıran Harrelson, 2006'da bol ödüllü No Country for Old Men'de rol aldı. 2008'de oynadığı bağımsız film The Messenger'da canlandırdığı Tony karakteriyle En İyi Yardımcı Oyuncu dalında Oscar ve Altın Küre adaylıkları kazandı. 2012'de gösterime giren Açlık Oyunları serisinin ilk filminde Haymitch Abernathy karakterine hayat veren usta oyuncu, serinin diğer 3 filminde aynı rolü tekrarladı. 2017'de oynadığı Three Billboards Outside Ebbing, Missouri filmindeki Willoughby rolüyle En İyi Yardımcı Oyuncu dalında Oscar'a aday gösterildi.
Kendini "anarşist" olarak tanımlayan Harrelson, çevre ve hayvan hakları konusunda aktiftir. 1985'te oyun yazarı Neil Simon'ın kızı Nancy Simon ile evlenen Harrelson'ın evliliği 10 ay sürdü. 1987'den beri eski asistanı Laura Louie ile birliktedir. 2008'de resmen evlenen çiftin Deni Montana (d. 1993), Zoe Giordano (d. 1996) ve Makani Ravello (d. 2006) adlı 3 kız çocuğu bulunmaktadır.
