Warren nasceu em 30 de março de 1937, tendo como irmã Shirley MacLaine, que também se tornaria atriz. Seus pais eram professores e ele amava jogar futebol americano. Com isso conseguiu seu primeiro sucesso. Mas foi justamente Shirley quem lhe disse que ele tinha potencial para se tornar um grande ator. O início foi como assistente de palco.
Em 1959 fez uma primeira participação nas telas de tv, sendo dirigido por Elia Kazan. Nesse período o diretor o chamou para participar de Clamor do sexo, ao lado da já veterana apesar de adolescente Natalie Wood. Os dois começaram quase que imediatamente a namorar, mas ela foi apenas mais uma de tantas com quem ele se envolveu.
O filme foi indicado ao Oscar em 10 categorias e Warren um ator de sucesso da nova geração. Com Bonnie & Clyde, filme que atou, dirigiu e produziu, Warren pode finalmente ser respeitado como cineasta, sendo sucesso absoluto de crítica e público, e sendo indicado a 10 Oscars. Seguiram-se grandes sucessos: Onde os Homens são Homens, A Trama, Shampoo, O céu pode esperar e Reds (com o qual ganhou o Oscar de Melhor Diretor), dentre outros. Apesar de ter em sua lista beldades, casou-se apenas uma vez, com a também atriz Annette Bening. Os dois permanecem casados desde 1992 e tem quatro filhos: Stephen, Denjamin, Ella e Isabel.
