Stanton rozpoczynał karierę filmową od ról w westernach pod koniec lat 50.
Prawdziwą sławę przyniosły mu role w takich filmach jak "Ojciec chrzestny II" Francisa Forda Coppoli, w w westernie "Przełomy Missouri" Arthura Penna czy filmie science fiction "Obcy – ósmy pasażer Nostromo" Ridleya Scotta , gdzie wcielił się w rolę pomocnika głównego mechanika.
W filmie Martina Scorsese "Ostatnie kuszenie Chrystusa" z 1988 r. Stanton zagrał apostoła Pawła.
Polscy widzowie najbardziej zapamiętali go w roli prywatnego detektywa w komedii Davida Lyncha "Dzikość serca".
91-letni aktor, który miał za sobą niemal 60-letnią karierę filmową i telewizyjną, pojawił się w 2017 r. w nowych częściach serialu "Miasteczko Twin Peaks" (Twin Peaks).
Harry Dean Stanton był też uznanym wokalistą.