Keir Dullea se narodil v Clevelandu v Ohiu, ale když mu byly tři, tak se rodina přestěhovala do New Yorku, kde také ve čtvrti Greenwich Village vyrůstal - rodiče zde provozovali knihkupectví. Dokončil George School v Pennsylvánii, studoval na Rutgersově univerzitě a také Státní univerzitě v San Francisku, pak se rozhodl věnovat divadlu. Svůj newyorský jevištní debut učinil v Neighborhood Playhouse v produkci "Sticks and Bones" (1956). Jako člen pouličního gangu zapůsobil svým filmovým debutem v dramatu HOODLUM PRIEST(1961), ve kterém jako mladý delikvent zkřížil své kroky s duchovním (Don Murray). Jeho první rolí byla však už rok předtím postava německého pilota v televizní adaptaci PANÍ MINIVEROVÁ (1960) s Maureen O'Harovou.
Bezpochyby nejznámější rolí štíhlého, nepřístupného herce s chlapeckou vizáží a modrýma očima byl astronaut David Bowman z Kubrickovy přelomové sci-fi 2001: VESMÍRNÁ ODYSEA (1968) následované stejně ambiciózním a vcelku zdařilým pokračováním 2010: DRUHÁ VESMÍRNÁ ODYSEA (1984) ve kterém můžeme vidět jak Jana Třísku tak i samotného Arthura C. Clarka, autora knižních předloh. Ve stejném roce se jako záhadný cizinec Dullea objevil ještě v americko-řecké sci-fi THE NEXT ONE (1984).
Po ”Odysee” měl Keir problém podobný filmový úspěch zopakovat a soustředil se na divadelní kariéru. Na Broadwayi debutoval už před “Odyseou“, a sice ve hře "Dr. Cook's Garden" (1967) vedle Burla Ivese a o dva roky později zazářil jako slepý mladík Donny Dark snažící se vymanit z náruče své panovačné matky a následovat svoji lásku, volnomyšlenkářskou dívku (Blythe Danner), ve hře "Motýli jsou svobodní" (1969), která se za tři roky (1972) dočkala své filmové podoby s Goldie Hawnovou a Edwardem Albertem (rok předtím byla s Bingem Crosbym zfilmována i hra "Dr. Cook's Garden").
V koprodukčním filmovém dramatu DE SADE (1969) hrál Dullea titulní roli Markýze - zestárlého Markýze zde mimochodem na jeho popud ztvárnil jeho vlastní otec Robert, nechtělo se mu totiž podstoupit chystaný make-up. S vlažným přijetím přechodně točil v Anglii a Kanadě a na Broadway se vrátil jako Brick v repríze Williamsova dramatu "Kočka na rozpálené plechové střeše“ (1974) a černou komedií “P. S. Tvá kočka je mrtvá!" (1975). K dalším pozoruhodným rolím patří Devon ze sci-fi seriálu “The Starlost” (1973) nebo Thomas Grambell ze sci-fi BRAVE NEW WORLD (1980). Objevil se také v životopisném televizním dramatu PŘÍBĚH AUDREY HEPBURNOVÉ (2000) s Jennifer Love Hewittovou, ve kterém hrál otce hlavní postavy. Mezi jeho zatím poslední role pak patří senátor a rádce Matta Damona v romantickém thrilleru s Angelinou Jolie v režii Roberta De Nira KAUZA CIA (2006).