Keitel opiskeli sekä Stella Adlerin että Lee Strasbergin alaisuudessa ja HB Studiossa, ja lopulta hän sai rooleja joihinkin Off-Broadway-tuotantoihin. Tänä aikana Keitel kävi koe-esiintymässä elokuvantekijä Martin Scorsesen luona ja sai pääroolin ”J.R.”, Scorsesen ensimmäisessä pitkässä elokuvassa Who’s That Knocking at My Door (1967). Sen jälkeen Scorsese ja Keitel ovat työskennelleet yhdessä useissa projekteissa. Keitel oli pääosassa Scorsesen elokuvassa Mean Streets, josta tuli myös Robert De Niron läpimurtoelokuva. Keitel teki uudelleen yhteistyötä Scorsesen kanssa elokuvassa Alice Doesn’t Live Here Anymore (1974), jossa hänellä oli roistomainen sivuosa, ja esiintyi jälleen Robert De Niron kanssa Scorsesen elokuvassa Taxi Driver (1976), jossa hän näytteli Jodie Fosterin hahmon parittajan roolia.
Vuosina 1977 ja 1978 Keitel näytteli Paul Schraderin (Blue Collar, pääosissa Richard Pryor ja Yaphet Kotto), Ridley Scottin (The Duellists, pääosissa Keith Carradine) ja James Tobackin (Fingers, jossa Keitel näytteli katukauppiasta, jolla on pyrkimys pianistiksi – roolin Toback kirjoitti Robert De Nirolle) ohjaajadebyytissä.
Kapteeni Willardin roolissa Francis Ford Coppolan elokuvassa Apocalypse Now (1979) Keitel oli mukana ensimmäisellä viikolla pääkuvauksissa Filippiineillä. Coppola ei ollut tyytyväinen Keitelin otteeseen Willardista ja totesi, että näyttelijän ”oli vaikea esittää häntä passiivisena sivustakatsojana”. Ensimmäisen viikon kuvamateriaalin nähtyään Coppola korvasi Keitelin casting-istunnon suosikilla, Martin Sheenillä.
Keitel ajautui tuntemattomuuteen suurimman osan 1980-lukua. Hän teki edelleen töitä sekä näyttämöllä että valkokankaalla, mutta yleensä stereotyyppisessä roolissa. Keitel näytteli korruptoitunutta poliisia vuoden 1983 trillerissä Copkiller (pääosassa muusikko John Lydon), ennen kuin hän otti sivuosan romanttisessa draamassa Falling in Love (1984), jonka pääosissa näyttelivät Robert De Niro ja Meryl Streep. Vuosina 1985-1988 hän oli kiireisin hahmonäyttelijä, joka esiintyi 16 elokuvassa ja tv-elokuvassa, muun muassa Brian De Palman mafiakomediassa Wise Guys (1986), jonka pääosissa näyttelivät Danny DeVito ja Joe Piscopo, sekä Juudaksen roolissa Martin Scorsesen kiistanalaisessa Kristuksen viimeinen kiusaaminen -elokuvassa (1988).
Hän näytteli yhdessä Jack Nicholsonin kanssa Jack Nicholsonin ohjaamassa Chinatownin jatko-osassa Kaksi Jakea (1990). Ridley Scott valitsi Keitelin sympaattiseksi poliisiksi elokuvassa Thelma & Louise vuonna 1991; samana vuonna Keitel sai roolin Barry Levinsonin elokuvassa Bugsy, josta hän sai Oscar-ehdokkuuden parhaasta miessivuosasta. Seuraavana vuonna Keitel näytteli toista gangsteria Whoopi Goldbergin tähdittämässä komediassa Sister Act.
Keitel näytteli Quentin Tarantinon Reservoir Dogs -elokuvassa (jonka hän oli mukana tuottamassa) vuonna 1992, jossa hänen suorituksensa ”herra Valkoisena” nosti hänen uransa uudelle tasolle. Sen jälkeen Keitel on valinnut roolinsa huolella, pyrkien muuttamaan imagoaan ja näyttelemään laajempaa näyttelijäntyötä. Yksi näistä rooleista oli nimihenkilö Bad Lieutenant -elokuvassa, joka kertoo itseään inhoavasta, huumeriippuvaisesta poliisiluutnantista, joka yrittää puhdistaa itsensä. Hän oli mukana The Piano -elokuvassa vuonna 1993 ja esitti ilmeisesti uudelleen Victor the Cleaneria vuoden 1992 ”No Return” -elokuvasta tuttua siivousasiantuntijaa Winston ”The Wolf” Wolfea Quentin Tarantinon Pulp Fiction -elokuvassa. Keitel näytteli poliisietsivää Spike Leen elokuvassa Clockers (sovitus Richard Pricen romaanista, yhteistuottaja Martin Scorsese). Vuonna 1996 Keitelillä oli merkittävä rooli Quentin Tarantinon ja Robert Rodriguezin elokuvassa From Dusk till Dawn, ja vuonna 1997 hän näytteli rikosdraamassa Cop Land, jossa näyttelivät myös Sylvester Stallone, Ray Liotta ja Robert De Niro.
Hänen myöhempiä roolejaan ovat muun muassa isällinen Saatana elokuvassa Pikku-Nicky, viisas laivaston mies elokuvassa U-571, ahkera FBI:n erikoisagentti Sadusky elokuvassa Kansallinen aarre (National Treasure) ja jälkimmäisen jatko-osassa National Treasure: Salaisuuksien kirja. Vuonna 1999 Keitel korvattiin Sydney Pollackilla Stanley Kubrickin Eyes Wide Shut -elokuvan kuvauksissa kuvausristiriitojen vuoksi, ja hän esiintyi Tony Buin palkitussa ohjaajadebyytissä Three Seasons (jonka Keitel myös tuotti). Keitel teki myös uudelleen yhteistyötä Jane Campionin kanssa elokuvassa Holy Smoke! (pääosassa Kate Winslet).
Vuonna 2001 Keitel näytteli vastakkaisia rooleja: Yhdysvaltain armeijan denatsaatiotutkijana elokuvassa Taking Sides ja SS-Oberscharführer Erich Muhsfeldtina elokuvassa The Grey Zone.
Vuonna 2002 Keitel sai 24. Moskovan kansainvälisillä elokuvafestivaaleilla Stanislavsky-palkinnon merkittävistä saavutuksista näyttelijänurallaan ja omistautumisestaan Stanislavskin koulukunnan periaatteille.
Hän esiintyi myös Uudessa-Seelannissa vuonna 2007 Steinlager Pure -mainoksissa. Toisin kuin monet amerikkalaiset miesnäyttelijät, Keitel on esiintynyt alastomana useissa elokuvissa, muun muassa täydessä alastomuudessa elokuvissa Bad Lieutenant ja The Piano.
Tammikuussa 2008 Keitel näytteli Jerry Springeriä New Yorkissa ensi-iltansa saaneessa elokuvassa Jerry Springer: The Opera Carnegie Hallissa. Vuonna 2008 Keitel sai etsivä Gene Huntin roolin ABC:n lyhytikäisessä yhdysvaltalaisessa uusintaversiossa menestyksekkäästä brittiläisestä aikamatkailupoliisidraamasarjasta Life on Mars.
Kesäkuussa 2009 hän teki cameo-esiintymisen Jay-Z:n videolla kappaleeseen ”D.O.A. (Death of Auto-Tune)”, joka oli viittaus hänen brooklyniläiseen alkuperäänsä. Vuonna 2013 hän esiintyi Beyoncén ”Pretty Hurts” -kappaleen musiikkivideolla.
Vuonna 2013 hän näytteli itsenäisessä elokuvassa A Farewell to Fools.
Vuoden 2014 ja vuoden 2020 alkupuolella hän esitti uudelleen Pulp Fictionin Winston Wolfen roolinsa osana brittiläisen vakuutusyhtiön Direct Linen 40 miljoonan punnan televisiomainoskampanjaa.