Woody Harrelson se rodio u Midlandu u porodici Charlesa Voydea Harrelsona i Diane Lou Oswald. Odrastao je uz dva brata, Jordana i Bretta, od kojih je potonji profesionalni vozač motocikla.
Majka se 1964. razvela od oca, koji je s vremenom postao plaćeni ubica, suđen za dva i osuđen za jedno ubistvo. Mnogo godina kasnije, Harrelson je uložio veliki napor da bi oca oslobodio s izdržavanja doživotne zatvorske kazne, ali to nije imalo rezultata, pa je stariji Harrelson umro 2007. godine.
Harrelson je odrastao u gradu Lebanon u državi Ohio, gdje je završio srednju školu, a 1983. je diplomirao dramske umjetnosti na Hannover Collegeu u Indiani. Poslije se odselio u New York, gdje je 1985. angažiran za Cheers.
S televizije se Harrelson probio na film s velikim hitom White Men Can't Jump, iza koga je slijedio Indecent Proposal koji ga je etablirao kao ozbiljnog dramskog glumca. Poslije toga je slijedila uloga u kontroverznom filmu Natural Born Killers, a iza toga i uloga Larryja Flynta za koju je nominiran za Oscara.
Godine 1985. Harrelson se u Tijuani na brzinu vjenčao s Nancy Simon, kćeri uglednog dramatičara Neila Simona. Taj je brak potrajao nekoliko mjeseci. Godine 1998. se oženio s bivšom pomoćnicom Laurom Louie s kojom ima tri kćeri.
Harrelson je poznat i kao dugogodišnji aktivist za legalizaciju marihuane, zagovornik veganstva i protivnik eksperimenata na životinjama.