Nach dem Highschoolabschluss und einem Studium an der Northwestern University spielte er lange Zeit Theater, bevor er kleinere Fernsehrollen übernahm und ihm mit Elia Kazans Klassiker Fieber im Blut (1961) der Durchbruch gelang. Nach weiteren Filmrollen und einem Golden Globe 1962 als Bester Newcomer produzierte Beatty das

Gangsterdrama Bonnie und Clyde (1967) mit ihm in der männlichen Hauptrolle, das mit zwei Oscars prämiert wurde. Sein Regiedebüt gab er mit Der Himmel soll warten (1978). Für Reds (1981) – Drehbuch, Produktion, Regie, Hauptrolle – gewann Beatty 1982 seinen ersten Oscar als Bester Regisseur. Erfolge feierte Beatty auch mit der Comicverfilmung Dick Tracy (1990), Bugsy (1991) und Bulworth (1998). Obwohl Warren Beatty in rund vierzig Jahren nur 23 Filme drehte, bleiben sein Erfolg und sein außergewöhnliches Allroundtalent bislang unerreicht: Mit den vier Filmen, die unter seiner Regie entstanden, sahnte er insgesamt 29 Oscar-Nominierungen, sieben Oscars und unzählige andere Preise ab. Hinzu kommen 24 weitere Nominierungen und sechs Auszeichnungen für drei Filme, die er produzierte oder deren Drehbuch er schrieb. Im Jahr 2000 bekam er von Freund und Kollege Jack Nicholson den Irving G. Thalberg Memorial Award für sein Lebenswerk überreicht und 2007 den Golden Globe für sein Lebenswerk. Warren Beatty war lange Zeit mit Natalie Wood liiert; es folgten Beziehungen mit Julie Christie, Diane Keaton, Joan Colins, Isabelle Adjani und Madonna. Im Jahr 1992 heiratete er Annette Bening; das Paar hat vier Kinder.