Keitel estudou tanto com Stella Adler como com Lee Strasberg e no HB Studio, acabando por desempenhar papéis em algumas produções Off-Broadway. Durante este tempo, Keitel fez uma audição para o cineasta Martin Scorsese e ganhou um papel de protagonista como “J.R.”, no primeiro longa-metragem de Scorsese, Who’s That Knocking at My Door (1967). Desde então, Scorsese e Keitel têm trabalhado juntos em vários projetos. Keitel teve o papel principal no filme Mean Streets de Scorsese, que também provou ser o filme revolucionário de Robert De Niro. Keitel rebatizado com Scorsese para Alice Doesn’t Live Here Anymore (1974), no qual ele teve um papel de suporte vilão, e apareceu novamente com Robert De Niro no Taxi Driver de Scorsese (1976), interpretando o papel do chulo da personagem de Jodie Foster.
Em 1977 e 1978, Keitel estrelou na direção de Paul Schrader (Blue Collar, co-estrelando Richard Pryor e Yaphet Kotto), Ridley Scott (The Duellists, co-estrelando Keith Carradine), e James Toback (Fingers, no qual Keitel interpretou um capuz de rua com aspirações de ser um pianista – um papel que Toback escreveu para Robert De Niro interpretar).
Cast como Capitão Willard no Apocalypse Now de Francis Ford Coppola (1979), Keitel esteve envolvido com a primeira semana de fotografia principal nas Filipinas. Coppola não ficou satisfeito com a tomada de Keitel sobre Willard, afirmando que o ator “achou difícil interpretá-lo como um espectador passivo”. Após ver as filmagens da primeira semana, Coppola substituiu Keitel por uma sessão de elenco favorita, Martin Sheen.
Keitel entrou na obscuridade durante a maior parte dos anos 80. Ele continuou a trabalhar tanto no palco como na tela, mas geralmente no papel estereotipado de um bandido. Keitel interpretou um policial corrupto no thriller Copkiller de 1983 (co-estrelando o músico John Lydon), antes de assumir um papel de apoio no drama romântico Falling in Love (1984), estrelado por Robert De Niro e Meryl Streep. Entre 1985 e 1988, ele foi o ator mais ocupado em 16 filmes e telefilmes, incluindo a comédia mafiosa Wise Guys (1986) de Brian De Palma, estrelado por Danny DeVito e Joe Piscopo, e como Judas na polêmica A Última Tentação de Cristo (1988), de Martin Scorsese.
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Ele co-estrelou com Jack Nicholson na sequela de Chinatown The Two Jakes (1990), dirigida por Jack Nicholson. Ridley Scott lançou Keitel como o polícia simpático em Thelma & Louise em 1991; nesse mesmo ano, Keitel conseguiu um papel no Bugsy de Barry Levinson, pelo qual recebeu uma nomeação para o Oscar de Melhor Ator Coadjuvante. No ano seguinte, Keitel interpretou outro mafioso no Whoopi Goldberg-starring Sister Act.
Keitel estrelou em Quentin Tarantino’s Reservoir Dogs (que ele co-produziu) em 1992, onde sua performance como “Mr. White” levou sua carreira a um nível diferente. Desde então, Keitel escolheu seus papéis com cuidado, procurando mudar sua imagem e mostrar um leque de atuação mais amplo. Um desses papéis foi o personagem de título em Bad Lieutenant, sobre um tenente da polícia viciado em drogas que tentava se redimir. Ele co-estrelou o filme The Piano, em 1993, e interpretou uma aparente reprise de seu Victor, o Limpador, do especialista em limpeza “No Return” de 1992, Winston “The Wolf” Wolfe, no filme Pulp Fiction, de Quentin Tarantino. Keitel estrelou como detetive policial em Spike Lee’s Clockers (uma adaptação do romance de Richard Price, co-produzido por Martin Scorsese). Em 1996, Keitel teve um papel importante no filme de Quentin Tarantino e Robert Rodriguez From Dusk till Dawn, e em 1997, estrelou o drama policial Cop Land, que também estrelou Sylvester Stallone, Ray Liotta e Robert De Niro.
Os seus papéis posteriores incluem o satanás paternal em Little Nicky, um sábio da Marinha em U-571, o diligente agente especial do FBI Sadusky em National Treasure e a sequela National Treasure: Book of Secrets. Em 1999, Keitel foi substituído por Sydney Pollack no set de Stanley Kubrick’s Eyes Wide Shut, devido a conflitos de tiroteio, e apareceu na premiada estréia como diretor de Tony Bui, Three Seasons (que Keitel também produziu como executivo). Keitel também rebatizou com Jane Campion para o Holy Smoke! (co-estrelando Kate Winslet).
Em 2001 Keitel desempenhou papéis opostos: como investigadora de desnazificação do Exército dos EUA no filme Taking Sides e como SS-Oberscharführer Erich Muhsfeldt no filme The Grey Zone.
Em 2002, no 24º Festival Internacional de Cinema de Moscou, Keitel foi homenageado com o Prêmio Stanislavsky por sua notável realização na carreira de ator e devoção aos princípios da escola de Stanislavsky.
Ele também apareceu nos comerciais Steinlager Pure, na Nova Zelândia, em 2007. Ao contrário de muitos atores americanos, Keitel apareceu nu em vários filmes, incluindo nudez frontal total em Bad Lieutenant e The Piano.
Em janeiro de 2008, Keitel interpretou Jerry Springer na estréia em Nova York de Jerry Springer: A Ópera no Carnegie Hall. Em 2008, Keitel foi elenco no papel do detetive Gene Hunt no remake americano de curta duração do sucesso da série policial britânica Life on Mars.
Em junho de 2009, ele fez uma aparição no vídeo Jay-Z para “D.O.A. (Death of Auto-Tune)”, um aceno para suas origens do Brooklyn. Em 2013, ele apareceu num videoclipe para “Pretty Hurts” de Beyoncé.
Em 2013, ele estrelou no filme independente A Farewell to Fools.
Entre 2014 e o início de 2020, ele repreendeu o seu papel de Winston Wolfe da Pulp Fiction como parte de uma campanha publicitária televisiva de £40 milhões para a companhia de seguros britânica Direct Line.