Gary Sinise débute sa carrière artistique sur les planches, à l'âge de dix-sept ans. Deux ans plus tard, il fonde la Steppenwolf Theatre Company et s'illustre dans de nombreuses pièces à succès aux côtés de son ami John Malkovich. Les années 70 et 80 imposent le comédien comme une valeur théâtrale sûre, à la fois comme metteur en scène et interprète. En 1988, Gary Sinise débute dans le septième art en réalisant Rien à perdre, un drame porté par Richard Gere. Mais c'est en 1992 qu'il connaît la consécration internationale : s'il apparaît dans Jack the bear, il se fait surtout remarquer en réalisant Des souris et des hommes, une adaptation de l'oeuvre de John Steinbeck dans laquelle il incarne le personnage de George aux côtés de John Malkovich.

Gary Sinise privilégie dès lors une carrière de comédien marquée par des prestations fortes. Héros du Viêtnam amputé de ses deux jambes dans Forrest Gump (1994), à la fois astronaute et kidnappeur d'enfants chez Ron Howard (Apollo 13 et La Rançon) ou truand dans Albino Alligator, l'acteur se montre particulièrement pertinent dans ses choix. L'Américain est fidèle dans ses collaborations : Ron Howard, Brian De Palma (Snake eyes, Mission to Mars) mais également Tom Hanks (Forrest Gump, Apollo 13 et La Ligne verte) font partie de son cercle professionnel. Alternant grosses productions hollywoodiennes et films d'auteur, Gary Sinise enchaîne les tournages du thriller de science-fiction Impostor (2001), du drame La Couleur du mensonge (2003) et du surnaturel Mémoire effacée (2004).

L'année 2004 marque également son premier rôle principal dans une série télé, puisqu'il est le détective Mack Taylor dans Les Experts : Manhattan.