Keir Dullea se narodil v Clevelandu v Ohiu, ale když mu byly tři, tak se rodina přestěhovala do New Yorku, kde také ve čtvrti Greenwich Village vyrůstal - rodiče zde provozovali knihkupectví. Dokončil George School v Pennsylvánii, studoval na Rutgersově univerzitě a také Státní univerzitě v San Francisku, pak se rozhodl věnovat divadlu. Svůj newyorský jevištní debut učinil v Neighborhood Playhouse v produkci "Sticks and Bones" (1956). Jako člen pouličního gangu zapůsobil svým filmovým debutem v dramatu Hoodlum Priest (1961), ve kterém jako mladý delikvent zkřížil své kroky s duchovním (Don Murray). Jeho první rolí byla však už rok předtím postava německého pilota v televizní adaptaci Paní Miniverová (1960) s Maureen O'Harovou.

Byl všestranný, ztvárňoval emočně nevyrovnané mladíky a psychicky narušené jedince: afefobií stižený David se hezky doplňoval se schizofrenickou Lisou (Janet Margolinová) v lovestory David and Lisa (1962) – za tuto roli Keir získal Zlatý glóbus pro "nejslibnějšího hereckého nováčka“ a filmem se mimochodem mihla také Keirova vlastní matka Margaret, jako postava vycházející po schodišti. Dále to byl stresovaný vojín v první adaptaci románu Jamese Jonese Tenká červená linie (1964), Premingerův kultovní thriller Bunny Lake is Missing (1965), kde hrál bratra Carol Lynleyové se sklonem k incestu a možným podílem na zmizení jejího dítěte, jako Paul Renfield zase v dramatu The Fox (1967) vrazil emocionální klín mezi dvě lesbičky, Anne Heywoodovou a Sandy Dennisovou.

Bezpochyby nejznámější rolí štíhlého, nepřístupného herce s chlapeckou vizáží a modrýma očima byl astronaut David Bowman z Kubrickovy přelomové sci-fi 2001: Vesmírná Odysea (1968) následované stejně ambiciózním a vcelku zdařilým pokračováním 2010: Druhá Vesmírná Odysea (1984) ve kterém můžeme vidět jak Jana Třísku tak i samotného Arthura C. Clarka, autora knižních předloh. Ve stejném roce se jako záhadný cizinec Dullea objevil ještě v americko-řecké sci-fi The Next One (1984).

Po ”Odysee” měl Keir problém podobný filmový úspěch zopakovat a soustředil se na divadelní kariéru. Na Broadwayi debutoval už před “Odyseou“, a sice ve hře "Dr. Cook's Garden" (1967) vedle Burla Ivese a o dva roky později zazářil jako slepý mladík Donny Dark snažící se vymanit z náruče své panovačné matky a následovat svoji lásku, volnomyšlenkářskou dívku (Blythe Danner), ve hře "Motýli jsou svobodní" (1969), která se za tři roky (1972) dočkala své filmové podoby s Goldie Hawnovou a Edwardem Albertem (rok předtím byla s Bingem Crosbym zfilmována i hra "Dr. Cook's Garden").

V koprodukčním filmovém dramatu De Sade (1969) hrál Dullea titulní roli Markýze - zestárlého Markýze zde mimochodem na jeho popud ztvárnil jeho vlastní otec Robert, nechtělo se mu totiž podstoupit chystaný make-up. S vlažným přijetím přechodně točil v Anglii a Kanadě a na Broadway se vrátil jako Brick v repríze Williamsova dramatu "Kočka na rozpálené plechové střeše“ (1974) a černou komedií “P. S. Tvá kočka je mrtvá!" (1975). K dalším pozoruhodným rolím patří Devon ze sci-fi seriálu “The Starlost” (1973) nebo Thomas Grambell ze sci-fi Brave New World (1980). Objevil se také v životopisném televizním dramatu Příběh Audrey Hepburnové (2000) s Jennifer Love Hewittovou, ve kterém hrál otce hlavní postavy. Mezi jeho další role patří senátor a rádce Matta Damona v romantickém thrilleru s Angelinou Jolie v režii Roberta De Nira Kauza CIA (2006).

Keir Dullea byl celkem čtyřikrát ženatý, od roku 1999 žije s herečkou Miou Dillonovou, se kterou se krátce po svatbě objevil ve hře "Deathtrap". Jeho první manželkou byla herečka Margot Bennettová (1960-68), se Susan Lessonsovou jim to vydrželo rok (1969-1970) a se Susie Fullerovou, pozdější režisérkou, žil od roku 1972 až do její smrti v roce 1998 – tento vztah mu rovněž přinesl dvě nevlastní dcery. Se Susie v roce 1983 také založili neziskovou organizaci “Theater Artists Workshop of Westport“.