Raymond Allen Liotta, dit Ray, nait dans le New Jersey et est adopté six mois plus tard par un couple de fervents démocrates. Après le lycée, il part étudier la comédie à l'université de Miami, où il devient ami avec l'acteur Steven Bauer. Quelques temps plus tard, il fait ses débuts à la télévision dans le soap-opera Another World dans lequel il joue de 1978 à 1981. Il apparait ensuite dans quelques courtes séries et téléfilms avant de faire ses premiers pas au cinéma avec The Lonely lady (1983). C'est en 1986, sur la recommandation de Melanie Griffith (alors mariée à Steven Bauer), qu'il joue aux côtés de l'actrice son premier rôle important, celui d'un mari psychopathe, dans Dangereuse sous tous rapports qui lui vaut une nomination au Golden Globe du meilleur second rôle. Cependant, il accède véritablement à la consécration en 1990 avec Les Affranchis de Martin Scorsese, film de mafia culte dans lequel il incarne le gangster Henry Hill, apparaissant ainsi comme le digne successeur de Robert De Niro qui joue son mentor dans le film.

Par la suite, Ray Liotta se spécialise dans les polars. Il interprète, par exemple, un flic peu recommandable dans Obsession fatale (1992) de Jonathan Kaplan, un médecin légiste à la recherche du meurtrier de sa femme dans Memoires suspectes (1996) de John Dahl, un policier toxicomane dans Copland (1997) de James Mangold (qui lui permet de retrouver Robert De Niro), ou encore un agent du FBI ambigu dans Hannibal (2001) de Ridley Scott. En 2002, il produit, via sa société Tiara Blu Films, Narc, un polar nerveux signé Joe Carnahan dans lequel il interprète un officier des stups aux méthodes expéditives. L'année suivante, il entre dans la peau d'un flic trouble dans le thriller labyrinthique Identity dans lequel il est à nouveau dirigé par James Mangold, avant d'enchaîner par une série de films aux succès limités et qui ne sortiront pas du marché américain.

Hormis son interprétation du héros du film de science-fiction Absolom 2022 en 1994 (échec cuisant au box office), le comédien est majoritairement cantonné à des rôles de seconds couteaux marquants et, de ce fait, enchaine les projets en alternant les genres. A l'aise dans les polars, il l'est tout autant dans les comédies légères : père de famille veuf dans la comédie familiale Corrina, Corrina (1994), homme riche trompé par Sigourney Weaver dans Beautés empoisonnées en 2001, biker qui doit faire face à John Travolta, Martin Lawrence, Tim Allen et William H. Macy dans Bande de sauvages (2007), ou encore gangster dans le déjanté Crazy Night (2010).

En 2004, Ray Liotta apparait dans un épisode de la onzième saison d'Urgences, Time of Death, qui suit en temps réel la dernière heure de vie de son personnage. Pour ce rôle, il remporte l’Emmy Award du meilleur acteur invité dans une série télévisée dramatique. Après cette distinction, il est de retour en tête d’affiche au cinéma grâce à Guy Ritchie qui lui confie le rôle d'un truand de haute volée aux prises avec son rival de toujours interprété par Jason Statham pour les besoins de Revolver (2005), et l’année suivante il retrouve Joe Carnahan pour l'explosif Mi$e à prix. Toujours en 2006, il fait son retour à la télévision en tenant le rôle principal de la série Dossier Smith qui ne dure que le temps de 7 épisodes.

En 2010, Ray Liotta rejoint Harrison Ford dans Droit de passage, un drame policier centré sur l'immigration illégale qui est, comme beaucoup de ses films, un échec cuisant au box office. Comme à son habitude, il continue d'enchainer les films mineurs destinés au marché du dvd (The Line, Itinéraire manqué), ce qui ne l'empêche pas d'être à l'affiche de productions de qualité. Ainsi, en 2012, il fait partie du casting du film en compétition officielle au Festival de Cannes qui met en vedette Brad Pitt (Killing Them Softly), et donne, la même année, la réplique à Bradley Cooper pour les besoins du thriller The Place Beyond The Pines.

Après un passage devant la caméra de Nick Cassavetes dans Yellow, Ray enchaîne les thrillers au succès modéré – Le diable en personne, Pawn, The Iceman … Puis il varie les genres. On le retrouve dans la rom-com Blonde sur Ordonnance, dans la comédie Opération Muppets ou encore dans le drame musical inspiré de la vie du King, The Identical. Robert Rodriguez et Frank Miller lui offrent une apparition dans Sin City 2. En 2014, il joue dans Secret d’Etat, film acclamé par la critique et emmené par l’excellent Jeremy Renner (Démineurs, Mission Impossible : protocole fantôme). Sa prestation dans la mini-série Texas Rising lui vaut une nomination aux Screen Actors Guild Awards. Après un détour plein d’auto-dérision par Modern Family, il est choisi pour donner la réplique à Jennifer Lopez dans Shades of Blue, nouvelle série de NBC lancée en janvier 2016. C’est son premier rôle majeur depuis quelques années. Son personnage de flic corrompu, le lieutenant Matt Wozniak, est la cible d’une enquête menée par le FBI.