Père de Laura Dern.

Bruce Dern décroche son premier rôle à 24 ans, dans le drame Le Fleuve sauvage, d'Elia Kazan. Un petit second rôle qui ne le propulse pas immédiatement dans le milieu du cinéma. Il tourne en effet son film suivant quatre ans plus tard : c'est Chut...Chut...chère Charlotte (1964), où il croise notamment Bette Davis. La même année, il apparaît pour la première fois dans un film d'Alfred Hitchcock, Pas de printemps pour Marnie. Après cette participation - dans un rôle du marin violent tué par Marnie - sa carrière commence à décoller. En 1967, il donne la réplique à John Wayne dans le western La Caravane de feu.

Il grimpe peu à peu les échelons des rôles secondaires et parvient avec Will Penny, le solitaire au statut réel de second rôle. Il y incarne un cow-boy sadique, à la solde d'un grand propriétaire. Jouant de son grand corps sec et de son regard perçant, il poursuit dans un rôle de militaire, dans Un Château en enfer de Sydney Pollack (1969). Il retrouve ce réalisateur la même année pour le drame On achève bien les chevaux. En 1970, il joue les cruels seconds couteaux dans le sanglant Bloody Mama, de Roger Corman. Incarnant des personnages complexes, souvent borderline, il se fait remarquer en interprétant l'époux de Mia Farrow dans Gatsby le magnifique (1974). Bruce Dern trouve son premier grand rôle lors d'une parenthèse française dans une comédie dramatique de Claude Chabrol, Folies bourgeoises (1975) : il y incarne le mari américain et volage de Stéphane Audran.

Désormais une figure connue du public, Bruce Dern tient l'un des rôles principaux de Complot de famille, le dernier film du maître du suspens Alfred Hitchcock, en 1976. Un an plus tard, il impose son charisme pour jouer le dangereux Capitaine Michael J. Lander, prêt à élaborer un attentat lors du Superbowl, dans Black Sunday, de John Frankenheimer. A partir des années 80, on peut l'apercevoir aux côtés de jeunes acteurs prometteurs, comme Matt Dillon dans La Gagne ou Tom Hanks dans Les Banlieusards de Joe Dante (Gremlins). En parallèle, il apparaît plus régulièrement sur le petit écran dans de nombreux téléfilms, comme Uncle Tom's Cabin (TV) (1987) avec Samuel L. Jackson ou Trenchcoat in paradise (TV) en 1989.

Dans les années 90, l'acteur retourne notamment dans la poussière de l'Ouest et donne la réplique à Bruce Willis dans Dernier Recours (1996). Bruce Dern apparaît alors dans des registres très différents, allant du film d'épouvante avec Hantise, remake de La Maison du diable de Robert Wise, au film pour enfants Small Soldiers. Par la suite, désormais figure patriarcale, il incarne des personnages plus neutres, plus doux, à l'image de son rôle dans Monster avec Charlize Theron.

A l'aube des années 2000, il privilégie le circuit des films indépendants, ce qui ne l'empêche pas de se frotter à de grands acteurs, tels Edward Norton dans Down in the Valley, Val Kilmer dans American Cowslip ou Billy Bob Thornton dans The Astronaut Farmer. Parallèlement, on peut le voir incarner un personnage récurrent de la série Big Love, sur HBO, qui lui vaut une nomination aux Emmy Awards. A plus de 70 ans, Bruce Dern obtient enfin son étoile sur le Walk of Fame en 2010 et devient la 2 149e célébrité à avoir cet honneur. Il apparaît par la suite sur de nouveaux projets atypiques, comme The Hole 3D de Joe Dante, qu'il retrouve pour la troisième fois, et l'escapade gothique de Francis Ford Coppola, Twixt, en 2012, pour lequel il donne la réplique à Val Kilmer.

L'année suivante est présenté en compétition au Festival de Cannes le bouleversant Nebraska d'Alexander Payne, dans lequel Bruce Dern tient le rôle principal, celui d'un vieil homme persuadé qu'il a gagné le gros lot à un improbable tirage au sort par correspondance, et cherchant à rejoindre le Nebraska pour y recevoir son gain. Une prestation marquante lui valant, entre autres, d'être nommé dans la catégorie meilleur acteur aux Oscars.