Issu d'une famille d'acteurs (fils de John Carradine, demi-frère de David et frère de Robert), Keith Carradine développe dès l'âge de 14 ans des talents de musicien. C'est pourtant le théâtre qui l'inspire davantage durant ses études dans le Colorado où il participe aux productions de son université. En 1969, il auditionne pour la comédie musicale "Hair", et se retrouve à Broadway pour un an de représentations.
Il débute au cinéma en 1971 dans Dialogue de feu où il interprète un as de la gâchette aux côtés de Kirk Douglas et Johnny Cash. La même année, il joue dans John McCabe sous la direction de Robert Altman qu'il retrouve dans Nous sommes tous des voleurs (1974) et Nashville (1975). Un an après Les Duellistes de Ridley Scott (1977), Keith Carradine accompagne le premier grand rôle de Brooke Shields dans La Petite.
Il figure au générique de nombreux films dont la romance An Almost Perfect Affair, le drame Maria's Lovers, le western Le Gang des frères James, le thriller Wanda's Cafe, le biopic Mrs. Parker et le cercle vicieux et la comédie dramatique Secrets.
Du côté du grand écran, son physique et son âge le cantonnent aux personnages autoritaires. Il joue un shérif dans Let's Kill Bobby Z (2007), un maire dans Peacock (2008) et un révérend dans L' Arbre (2010). Seul son rôle d'ivrogne dans Our very own dénote un changement de registre.
En 2011, il prête ses traits au shérif Tagart dans le western de science-fiction Cowboys & envahisseurs de Jon Favreau.
