Chris Cooper passe son enfance au ranch de son père, dans le Missouri. Il étudie d'abord le théâtre et l'agriculture à l'Université locale. Son premier contact avec le monde de la scène consiste à dessiner puis construire des décors pour une petite troupe locale. Il déménage ensuite à New York, où il débute sur les planches.

Ses débuts au cinéma ont lieu avec Enquête sur une passion en 1980, film de Nicholas Roeg dans lequel il fait une petite apparition. Mais il faut attendre presque dix ans et sa rencontre avec le cinéaste John Sayles pour que Chris Cooper s'oriente définitivement vers le cinéma. Il apparaîtra dans quatre films du réalisateur : Matewan en 1987, puis City of Hope, Lone star et enfin Silver City en 2003.

Venant lui-même d'un milieu paysan, Chris Cooper est au générique de films se déroulant en milieu rural, comme L' Homme qui murmurait a l'oreille des chevaux, réalisé par Robert Redford, ou encore Ciel d'octobre, dans lequel il incarne le père de Jake Gyllenhaal. Cette composition de père autoritaire est au coeur de son rôle de militaire jusqu'au-boutiste dans American beauty de Sam Mendes, dans lequel le grand public le remarque.

Il interprète ensuite d'autres rôles de militaire irascible, puisqu'il est lieutenant dans Fous d'Irène, colonel dans The Patriot, le chemin de la liberté et... lieutenant-colonel dans Jarhead - la fin de l'innocence, film dans lequel il retrouve le metteur en scène Sam Mendes. En 2002, son apparition dans Adaptation de Spike Jonze lui donne un Oscar. En 2006, Chris Cooper est au générique de deux films majeurs: une oeuvre politique inspirée de faits réels (Syriana) et un biopic prestigieux (Truman Capote).

Bien qu'acteur engagé, Chris Cooper ne délaisse pas le cinéma d'action. On le retrouve en 2002 et 2004 à la poursuite de Matt Damon dans La Mémoire et La Mort dans la peau ou en agent du FBI envoyé en Arabie Saoudite dans Le Royaume de Peter Berg, de nouveau aux côtés de Jamie Foxx deux ans après Jarhead. A l'opposé, il rejoint les castings de deux comédies romantiques à la fin des années 2000 : New York, I Love You et Remember Me ; et prête sa voix à Douglas, le drôle d'oiseau du Max et les maximonstres de Spike Jonze (2009).

Chris Cooper double la mise avec Ben Affleck en 2010. Les acteurs sont à l'affiche de The Company Men et de The Town. Il participe aussi à The Tempest, adaptation sur grand écran de La Tempête de Shakespeare par Julie Taymor. On le voit également dans la comédie musicale Les Muppets, le retour, le thriller Sous surveillance, le drame Demolition, le film de gangsters de Ben Alleck Live by Night, le biopic L'Extraordinaire Mr. Rogers, la comédie politique Irresistible et le drame historique et romantique Le Son des souvenirs.

En parallèle, il incarne de solides personnages dans les séries 22.11.63 et Homecoming.