Ancien marine, Harvey Keitel débute sa carrière cinématographique en 1967 dans le premier long métrage de son ami Martin Scorsese, Who's that knocking at my door ?. Durant les premières années de leurs carrières respectives, ils ne se quittent pas, Harvey Keitel participe donc au documentaire Street Scenes et tient le rôle principal de Mean Streets où il est entraîné dans les bas-fonds de Little Italy par Robert De Niro.

En 1976, il retrouve une nouvelle fois le cinéaste new-yorkais, Robert De Niro et les rues de la Grande Pomme dans Taxi Driver. Un an plus tard, il se trouve devant l'objectif d'un débutant nommé Ridley Scott pour Les Duellistes où il incarne un officier napoléonien, avant de retrouver Paul Schrader, scénariste de Taxi Driver, dans Blue Collar (1978). Poussé hors des plateaux d'Apocalypse Now par un Francis Ford Coppola sur la corde raide en 1979, l'acteur ne tarde pas à rebondir.

Hétéroclite et international, Harvey Keitel n'hésite pas à traverser l'Atlantique pour tourner en 1980 aux cotés de Romy Schneider, Harry Dean Stanton et Max von Sydow dans La Mort en direct de Bertrand Tavernier. En 1982, l'acteur joue sous la direction d'Ettore Scola pour La Nuit de Varennes, puis poursuit sa carrière européenne avec Une pierre dans la bouche de Jean-Louis Leconte (1983). Il continue à alterner tout au long de sa carrière films américains et films européens faisant de lui un acteur extrêmement prolifique.

Retour au cinéma américain en 1986, en collaboration avec l'un des plus européens des metteurs en scène américains, Brian De Palma, pour la comédie Mafia salad. 1988 voit Harvey Keitel retrouver la mise en scène de Martin Scorsese dans La Dernière Tentation du Christ où il incarne Judas. Farouchement indépendant, le comédien collabore avec Dario Argento et George A. Romero dans Deux Yeux malefiques (1990) et tourne sous la direction de Jack Nicholson dans Two Jakes (id.), puis retrouve un cinéma plus commercial pour Bugsy (qui lui vaut une nomination au Golden Globe et à l'Oscar) et Thelma et Louise en 1991, à nouveau sous la direction de Ridley Scott.

En 1992, ses rôles marquants dans Bad Lieutenant d'Abel Ferrara et Reservoir Dogs de Quentin Tarantino, qu'il retrouve pour Pulp Fiction (1994) et Une nuit en enfer (1996), enfoncent le clou et viennent consacrer une carrière exceptionnelle. L'acteur alterne dès lors les productions indépendantes et les tournages à gros budget. Dans la première catégorie, citons La Leçon de piano (Palme d'or à Cannes en 1993), Clockers de Spike Lee la même année, ou encore Holy Smoke en 1999 (qui marque ses retrouvailles avec la réalisatrice de La Leçon de piano), ainsi que Taking sides, le cas Furtwängler (2002). Côté films plus populaires, Harvey Keitel apparaît en 1993 dans Nom de code : Nina (le remake de Nikita), Soleil levant la même année, Copland (1997), U-571 (2000), Dragon Rouge (2002) ou encore Benjamin Gates et le trésor des Templiers (2004) et sa suite (2008).

En 2005, le comédien retrouve son ami Robert De Niro dans le drame historique Le Pont du roi Saint-Louis et partage, l'année suivante, l'affiche du troublant thriller Un crime avec la française Emmanuelle Béart, avant de participer à la mini-série Destination 11 Septembre pour ABC. Il renouvèle l'expérience télévisuelle en 2008 en obtenant un rôle récurrent dans l'unique saison de la version américaine de Life on Mars. Les années qui suivent sont plutôt calmes (seconds rôles et films peu connus) pour Harvey Keitel, sa longue et fructueuse carrière semblant désormais derrière lui. Cela étant, il continue de s'afficher dans des projets originaux, dont Moonrise Kingdom (2012) de Wes Anderson, présenté en ouverture du 65ème festival de Cannes.