Nato a Richmond - in Virginia - nel 1937, fratello minore di Shirley MacLaine (n. 1934), Henry W. Beaty - meglio noto come Warren Beatty -, esordisce al cinema nel ruolo di protagonista in Splendore nell’erba (1961) di Elia Kazan, in cui lavora con Natalie Wood (reduce dai successi di film quali Gioventù bruciata - 1955 - di Nicholas Ray, i western Sentieri selvaggi - 1956 - di John Ford e Le colline bruciano - 1956 - di Stuart Heisler e che, nello stesso anno, interpreta anche il celebre musical West Side Story - 1961 - di Robert Wise).

Fisico atletico, sorriso ironico e volto magnetico, si presenta come attore “bello e tormentato” seguendo, in un certo qual modo, le orme di Marlon Brando e James Dean, riscuotendo notevole successo di pubblico.

Dopo alcune prove in ruoli secondari (La primavera romana della signora Stone - 1962 - di Josè Quintero, E  il vento disperse la nebbia - 1962 - di John Frankenheimer, Lilith - La dea dell’amore - 1964 - di Robert Rossen), Arthur Penn esalta la sua fantasiosa aggressività dirigendolo nel ruolo del cabarettista di Mickey One (1965) e in quello di Clyde nel celebre Gangster Story (1967), in cui lavora con Faye Dunaway.

Negli anni successivi si divide fra ruoli comici e drammatici (L’unico gioco in città .- 1970 - di George Stevens, il western I compari - 1971 - di Robert Altman, in cui lavora con Julie Christie, Il genio della rapina - 1971 -, di Richard Brooks, Perché un assassinio - 1974 - di Alan J. Pakula, Shampoo - 1975 - di Hal Ashby, Due uomini e una dote - 1975 - di Mike Nichols) per poi esordire alla regia con Il paradiso può attendere (coregia con Buck Henry), ironico remake de L’inafferrabile signor Jordan (1941) di Alexander Hall.

Seguono il colossal Reds (1981), incentrato sulla figura dello scrittore americano filosovietico J. Reed, in cui lavora con Diane Keaton e che viene premiato con tre Oscar (compreso quello per la Miglior Regia) e Dick Tracy, sull’omonimo eroe dei fumetti, e che vince altri tre Oscar.

Fra gli altri film ricordiamo Spogliarello per una vedova (1965) di Arthur Hiller, La truffa che piaceva a Scotland Yard (1967) di Jack Smight, Ishtar (1987) di Elaine May, Bugsy (1991) di Barry Levinson, Love Affair (1994) di Glenn Gordon Caron, in cui lavora con la grande Katharine Hepburn (1907-2003) alla sua ultima apparizione cinematografica.

Nel ’98 scrive, dirige e interpreta Bulworth - Il senatore.

Nel 2000 ha ricevuto l’Oscar alla Carriera e da allora si è quasi completamente ritirato a vita privata.

In epoche più recenti recita nella commedia (un totale fiasco ai botteghini) Amori in città... e tradimenti in campagna (2002) di Peter Chelsom, in cui torna a lavorare con Diane Keaton vent’anni dopo il già citato Reds, e ne L’eccezione alla regola (2016), da lui stesso scritto e diretto.