Fill de l'assassí a sou Charles Harrelson (1938-2007), empresonat a perpetuïtat el 1979 al ADX Florence per l'homicidi d'un jutge federal a San Antonio, viurà des de 1973 (9 anys després del divorci dels seus pares) amb la seva mare Diane Lou (nascuda Oswald) a Lebanon (Ohio), ciutat natal d'aquesta última.
Després d'haver-se diplomat en anglès i art dramàtic a l'Hanover College a Indiana, Woody Harrelson comença la seva carrera a la pantalla petita. El 1982, forma part del repartiment de la reeixida sèrie estatunidenca Cheers. Després debuta en el cinema interpretant un estudiant i jugador de futbol americà, en la comèdia Wildcats (1986).
El 2008, actua a 2012, inspirada en una profecia Maia que dataria la fi de les nostres civilitzacions el 21 de desembre de 2012. El 2009, actua a la pel·lícula Benvinguts a Zombieland en el paper d'un dels supervivents, Tallahassee.