Warren Oates étudie à l'Université de Louisville, où il se prend de passion pour le théâtre, avant de s'engager dans les Marines. En 1954, il s'installe à New York pour démarrer une carrière d'acteur. Après quelques jobs à la télévision, il obtient quelques rôles secondaires dans de nombreux films comme La Chute d'un caid ou Coups de feu dans la sierra. Très vite, il devient l'un des acteurs fétiches (et un grand ami) de Sam Peckinpah, cinéaste travaillé par l'"esprit de famille".

A cette époque, il affiche surtout sa "trogne" patibulaire dans plusieurs westerns, comme Le Retour des sept de Burt Kennedy, ou Le Reptile de Mankiewicz, mais reste abonné aux seconds rôles. C'est un autre grand ami, Monte Hellman, qui, le premier, lui offre des participations plus importantes, en particulier dans les oeuvres désormais cultes The Shooting et Macadam à deux voies.

Par la suite, il explose littéralement dans les films de jeunes réalisateurs aujourd'hui confirmés : John Milius (Dillinger), Philip Kaufman (The White Dawn) et Terrence Malick (La Balade sauvage). En 1974, Monte Hellman lui propose de tenir le haut de l'affiche de Cockfighter, film picaresque méconnu sur un éleveur de coqs de combat. Certains critiques considèrent ce rôle comme étant son meilleur avec celui qu'il tient dans Apportez-moi la tête d'Alfredo Garcia, le dernier chef-d'oeuvre de Sam Peckinpah : on y voit Oates déambuler dans un Mexique macabre avec une tête humaine dans ses bagages.

Il alterne ensuite films policiers (Tetes vides cherchent coffres pleins de William Friedkin), comédies (1941 de Steven Spielberg, Les Bleus d'Ivan Reitman) et participations à des feuilletons TV. Sa carrière se clôt brutalement en 1982, lors de la post-production de Tonnerre de feu de John Badham, lorsqu'il meurt des suites d'une crise cardiaque

Tonnerre de feu (1983), de John Badham  le capitaine Braddock
 
La Force de vaincre (1983), de Richard Fleischer 
James Neece
 
Les Bleus (1981), de Ivan Reitman  le sergent Hulka
 
Police frontière (1981), de Tony Richardson 
 
1941 (1979), de Steven Spielberg  Colonel Maddox
 
Têtes vides cherchent coffres pleins (1978), de William Friedkin  Specs O'Keefe
 
China 9 Liberty 37 (1978), de Monte Hellman  Matthew Sebanek
 
Sleeping Dogs (1977), de Roger Donaldson  Col. Willoughby
 
Drum (1976), de Steve Carver  Hammond Maxwell
 
Course contre l'enfer (1975), de Jack Starrett  Frank Stewart
 
92 in the Shade (1975), de Thomas McGuane  Nichol Dance
 
Apportez-moi la tête d'Alfredo Garcia (1974), de Sam Peckinpah  Bennie
 
Cockfighter (1974), de Monte Hellman  Frank Mansfield
 
La Balade sauvage (1974), de Terrence Malick 
Père de Holly
 
The White Dawn (1974), de Philip Kaufman  Billy
 
Dillinger (1973), de John Milius  Dillinger
 
The Thief who came to Dinner (1972), de Bud Yorkin  Dave
 
Macadam à deux voies (1971), de Monte Hellman
Ce film est projeté dans 1 salle(s) G.T.O.
 
L'Homme sans frontière (1971), de Peter Fonda 
Arch Harris
 
Le Reptile (1970), de Joseph L. Mankiewicz  Floyd Moon
 
La Horde sauvage (1969), de Sam Peckinpah  Lyle Gorch
 
The Shooting (1967), de Monte Hellman  Willett Gashade 
 
Dans la chaleur de la nuit (1967), de Norman Jewison  Sam Wood
 
Le Retour des sept (1966), de Burt Kennedy  Colbee
 
Major Dundee (1965), de Sam Peckinpah  Hadley
 
Le Mors aux dents (1964), de Burt Kennedy  Harley Williams
 
A l'ouest du Montana (1964), de Burt Kennedy  Jace
 
Coups de feu dans la sierra (1961), de Sam Peckinpah  Henry Hammond 
 
La Chute d'un caid (1960), de Budd Boetticher  Eddie Diamond
 
Le Géant du grand nord (1959), de Gordon Douglas