D'origine irlandaise, véritable force de la nature et sportif accompli, Brian Dennehy entre à l'Université de Columbia à New York grâce à un cursus à dominante sportive. Diplômé en Histoire, il entre ensuite à l'Université de Yale pour y étudier l'Art Dramatique. Entre 1977 et 1979, il enchaîne les petits rôles, notamment un dans A la recherche de Mr Goodbar, Elle de Blake Edwards, ou encore F.I.S.T. de Norman Jewison. C'est toutefois avec Rambo, où il tient le rôle d'un shérif bigot et réactionnaire s'oppposant à la venue d'un Sylvester Stallone, vétéran du Viêtnam dans sa bourgade, que l'acteur crève l'écran. Ce rôle, ainsi que celui du shérif Cobb dans le western Silverado, est l'une des rares figures de salauds que l'acteur ait interprétée au cours de sa carrière.

Bien que la carrière de l'acteur soit surtout jalonnée par d'innombrables apparitions sur le petit écran, la filmographie de Brian Dennehy livre des rôles souvent éclectiques. En 1983, il partage l'affiche du thriller Gorky Park, aux côtés de Lee Marvin et William Hurt. Il enchaîne dans un tout autre registre avec Cocoon, un film de science fiction signé Ron Howard. Il s'est souvent cantonné dans des rôles de flics taciturnes et déterminés, aux motivations quelquefois troubles, à l'instar du dyptique FX Effet de choc / FX2 effets très spéciaux. C'est aussi le cas de Pacte avec un tueur, où il campe un ex-policier reconverti en écrivain, et faisant équipe avec James Woods en tueur à gages. En 1987, le cinéaste britannique Peter Greenaway lui propose le rôle de Stourley Kracklite dans Le Ventre de l'architecte. Ce rôle de composition, où il campe un architecte paranoïaque, obsédé par son travail et souffrant de maux d'estomac atroces, vaut à Brian Dennehy le Prix du Meilleur acteur décerné lors du Chicago Film festival.

Brian Dennehy se fait un peu plus rare sur les écrans de cinéma dans les années 1990-2000, se consacrant pour l'essentiel à la télévision et au théâtre. En 1996, il accepte cependant de prêter ses traits à Ted Montagüe dans Romeo + Juliette, la légendaire histoire des amants maudits revisitée par Baz Luhrmann. En 2004, il tient un petit rôle dans la comédie She hate me de Spike Lee, avant de donner son accord pour jouer dans Assaut sur le central 13, remake du film culte de John Carpenter.

Tout de même actif, Brian Dennehy enchaîne les seconds rôles dans des productions cinématographiques aussi différentes que The Ultimate Gift (2006), La loi et l'ordre (2008), Every Day (2010), Drôles d'oiseaux (2011) ou encore Knight of Cups (2015). Parallèlement, il donne de la voix pour les besoins du Pixar Ratatouille (2007), participe à deux épisodes de la série The Good Wife et se glisse dans la peau d'un personnage récurrent dans la série policière d'Edward Burns Public Morals qui démarre en 2015.