Woody Harrelson föddes i Midland i Texas som son till Charles Voyde Harrelson och Diane Lou Oswald, som skilde sig 1964; han har två bröder, Jordan och Brett, som är professionella motorcykelförare. Hans far var yrkesmördare och fälldes två gånger för anlitat mord samt satt fängslad under större delen av Harrelsons barndom. Harrelson växte upp i Lebanon i Ohio med en djupt religiös mor och har ofta sagt att hans fars förflutna har påverkat hans nutida liv. Fadern avled i fängelse 2007.
Harrelson studerade vid Lebanon High School och senare på Hanover College i Indiana, där han studerade drama och tog kandidatexamen i teaterkonst och engelska 1983.
6 juni2010 deltog Harrelson i Soccer Aid-matchen mellan England och "resten av världen". Han blev inbytt i slutskedet av matchen (Gordon Ramsay byttes ut) och spelade som försvarare. Han slog in den avgörande straffsparken efter 2–2 i fulltid som gav "resten av världen" den första segern mot England i Soccer Aids historia.
Som vegetarian/vegan och förespråkare för råkost sedan många år[1] har han ofta engagerat sig i djurrättsfrågor och miljöfrågor, bland annat i samverkan med den internationella organisationen PETA[2], som 2012 också utsåg honom till Årets sexigaste vegetariankändis.[3][4]
Harrelson är gift med Laura Louie sedan 2008. Åren 1985–1986 var han gift med Nancy Simon, dotter till Neil Simon.