Keitel a studiat atât cu Stella Adler și Lee Strasberg, cât și la HB Studio, obținând în cele din urmă roluri în câteva producții Off-Broadway. În această perioadă, Keitel a dat o audiție pentru cineastul Martin Scorsese și a obținut un rol principal ca „J.R.”, în primul lungmetraj al lui Scorsese, Who’s That Knocking at My Door (1967). De atunci, Scorsese și Keitel au lucrat împreună la mai multe proiecte. Keitel a avut rolul principal în filmul lui Scorsese „Mean Streets”, care s-a dovedit a fi și filmul de debut al lui Robert De Niro. Keitel a făcut din nou echipă cu Scorsese pentru Alice Doesn’t Live Here Anymore (1974), în care a avut un rol secundar negativ, și a apărut din nou alături de Robert De Niro în filmul lui Scorsese Taxi Driver (1976), jucând rolul proxenetului personajului lui Jodie Foster.
În 1977 și 1978, Keitel a jucat în debuturile regizorale ale lui Paul Schrader (Blue Collar, cu Richard Pryor și Yaphet Kotto), Ridley Scott (The Duellists, cu Keith Carradine) și James Toback (Fingers, în care Keitel a jucat rolul unui tâlhar de pe stradă cu aspirații de a deveni pianist – un rol pe care Toback l-a scris pentru Robert De Niro).
Angajat în rolul Căpitanului Willard în filmul Apocalypse Now (1979) al lui Francis Ford Coppola, Keitel a fost implicat în prima săptămână de filmare principală în Filipine. Coppola nu a fost mulțumit de interpretarea lui Keitel în rolul lui Willard, declarând că actorului „i-a fost greu să îl interpreteze ca pe un spectator pasiv”. După ce a vizionat filmările din prima săptămână, Coppola l-a înlocuit pe Keitel cu un favorit al sesiunii de casting, Martin Sheen.
Keitel a alunecat în obscuritate în cea mai mare parte a anilor 1980. A continuat să lucreze atât pe scenă, cât și pe ecran, dar de obicei în rolul stereotip al unui bătăuș. Keitel a jucat rolul unui ofițer de poliție corupt în thrillerul Copkiller din 1983 (cu muzicianul John Lydon), înainte de a avea un rol secundar în drama romantică Falling in Love (1984), cu Robert De Niro și Meryl Streep. Între 1985 și 1988, a fost cel mai ocupat actor de caracter din zonă, apărând în 16 filme și telefilme, inclusiv în comedia mafiotă Wise Guys (1986) a lui Brian De Palma, cu Danny DeVito și Joe Piscopo, și în rolul lui Iuda în controversatul The Last Temptation of Christ (1988) al lui Martin Scorsese.
A jucat alături de Jack Nicholson în continuarea filmului Chinatown, The Two Jakes (1990), în regia lui Jack Nicholson. Ridley Scott l-a distribuit pe Keitel în rolul polițistului simpatic din Thelma & Louise în 1991; în același an, Keitel a obținut un rol în filmul Bugsy al lui Barry Levinson, pentru care a primit o nominalizare la Premiul Oscar pentru cel mai bun actor în rol secundar. În anul următor, Keitel a jucat rolul unui alt mafiot în comedia Sister Act, cu Whoopi Goldberg.
Keitel a jucat în filmul lui Quentin Tarantino Reservoir Dogs (pe care l-a coprodus) în 1992, unde interpretarea sa ca „Mr. White” i-a dus cariera la un alt nivel. De atunci, Keitel și-a ales cu grijă rolurile, căutând să-și schimbe imaginea și să arate o gamă mai largă de interpretare. Unul dintre aceste roluri a fost cel al personajului principal din „Bad Lieutenant”, despre un locotenent de poliție care se urăște pe sine și este dependent de droguri și care încearcă să se reabiliteze. A jucat în filmul „The Piano” în 1993 și a interpretat o aparentă reluare a rolului său de expert în curățenie „Victor the Cleaner” din „No Return” din 1992, Winston „The Wolf” Wolfe în filmul Pulp Fiction al lui Quentin Tarantino. Keitel a jucat rolul unui detectiv de poliție în filmul Clockers al lui Spike Lee (o adaptare a romanului lui Richard Price, coprodusă de Martin Scorsese). În 1996, Keitel a avut un rol important în filmul lui Quentin Tarantino și Robert Rodriguez, From Dusk till Dawn, iar în 1997 a jucat în drama polițistă Cop Land, în care au mai jucat Sylvester Stallone, Ray Liotta și Robert De Niro.
Printre rolurile sale ulterioare se numără cel de tată satanic în Little Nicky, un om înțelept din Marină în U-571, agentul special sârguincios al FBI Sadusky în National Treasure și în continuarea acestuia din urmă, National Treasure: Book of Secrets. În 1999, Keitel a fost înlocuit de Sydney Pollack pe platoul de filmare al filmului Eyes Wide Shut al lui Stanley Kubrick, din cauza unor conflicte de filmare, și a apărut în premiatul debut regizoral al lui Tony Bui, Three Seasons (pe care Keitel l-a produs, de asemenea, în calitate de producător executiv). Keitel s-a reîntâlnit, de asemenea, cu Jane Campion pentru Holy Smoke! (cu Kate Winslet în rol principal).
În 2001, Keitel a jucat roluri opuse: ca investigator de denazificare al armatei americane în filmul Taking Sides și ca SS-Oberscharführer Erich Muhsfeldt în filmul The Grey Zone.
În 2002, la cea de-a 24-a ediție a Festivalului Internațional de Film de la Moscova, Keitel a fost onorat cu Premiul Stanislavsky pentru realizările sale remarcabile în cariera de actor și devotamentul față de principiile școlii lui Stanislavsky.
A apărut, de asemenea, în reclamele Steinlager Pure din Noua Zeelandă în 2007. Spre deosebire de mulți actori americani de sex masculin, Keitel a apărut dezbrăcat în mai multe filme, inclusiv nuditate frontală în Bad Lieutenant și The Piano.
În ianuarie 2008, Keitel l-a interpretat pe Jerry Springer în premiera din New York City a filmului Jerry Springer: The Opera la Carnegie Hall. În 2008, Keitel a fost distribuit în rolul detectivului Gene Hunt în remake-ul american de scurtă durată al serialului polițist britanic de succes cu călătorii în timp Life on Mars, difuzat de ABC.
În iunie 2009, a avut o apariție cameo în videoclipul lui Jay-Z pentru piesa „D.O.A. (Death of Auto-Tune)”, o aluzie la originile sale din Brooklyn. În 2013, a apărut într-un videoclip pentru piesa „Pretty Hurts” a lui Beyoncé.
În 2013, a jucat în filmul independent A Farewell to Fools.
Între 2014 și începutul anului 2020, și-a reluat rolul lui Winston Wolfe din Pulp Fiction ca parte a unei campanii publicitare televizate de 40 de milioane de lire sterline pentru compania britanică de asigurări Direct Line.
.