Né en 1936, Keir Dullea grandit à Greenwich Village (New York) où ses parents (Margaret [née Ruttan], d'origine écossaise, et Robert Dullea, un Irlandais-Américain de deuxième génération) tiennent une librairie. Il fréquente diverses compagnies de théâtre avant d’apparaître dans Season of Choice (1959). Il attire rapidement l’attention de producteurs de cinéma et décroche le rôle d’un délinquant juvénile dans Le Mal de vivre (1961), puis d’un jeune dépressif dans David & Lisa, de Frank Perry (1962). Paraissant plus jeune que son âge, il a continué à interpréter de jeunes perturbés dans des films tels que The Thin Red Line (1964), Bunny Lake a disparu (1965) et Madame X (1966). Il brise, enfin, son image grâce au rôle d’un homme qui s’immisce dans un couple lesbien dans la nouvelle de D.H. LawrenceLe Renard (1968). Sa composition de l’astronaute David Bowman dans 2001, l'Odyssée de l'espace, de Stanley Kubrick (1968), lui offre une renommée internationale. Il se verra par ailleurs invité au Festival de Cannes 2018 à l'occasion de la projection du film remastérisé par Christopher Nolan[1].
Le théâtre demeure sa principale activité. Dès 1967, il débutait à Broadway aux côtés de Burl Ives dans Dr Cook’s Garden (1967) et recueille l’enthousiasme de la critique en interprétant Donny Dark, un jeune homme aveugle, dans Butterflies Are Free (1969). Puis il est Brick dans la reprise de La Chatte sur un toit brûlant, de Tennessee Williams (1974), et joue dans différentes pièces de Broadway, telles que P.S.: Your Cat Is Dead (1975) et Doubles (1985). Quittant Hollywood pour de bon en 1982, Dullea dirige le Theatre Artists Workshop of Westport (CT), dans l’esprit de l’Actors Studio. En dehors de Broadway, il apparaît aussi dans The Other Side of Paradise (1992), un one-man-show sur l’écrivain Francis Scott Fitzgerald, et dans Molly Sweeney (1997) d'une compagnie de Caroline du Nord.
2013 : La Chatte sur un toit brûlant (Cat on a Hot Tin Roof) de Tennessee Williams, mise en scène Elizabeth Falk, Wellfleet Harbor Actors Theater, Provincetown Tennessee Williams Theater Festival : Big Daddy