Strathairn nasce a San Francisco, in California, il 26 gennaio del 1949, secondogenito dei tre figli di Thomas Scott Strathairn Jr., un medico statunitense di origini scozzesi (più precisamente di Crieff) e indigene hawaiiane[1][2][3], e di Mary Frances Frazier, un'infermiera statunitense[4][5][6]. Si laurea presso il Williams College di Williamstown, nel Massachusetts, nel 1970. È stato anche uno studente del Ringling Brothers and Barnum & Bailey Clown College.
La sua carriera di attore inizia in televisione, per la quale gira numerosi film e serie televisive, grazie alle quali si fa conoscere e comincia ad ottenere elogi dalla critica. Si avvicina al cinema grazie al regista John Sayles, conosciuto ai tempi del college.
Nel 1992 si aggiudica l'Independent Spirit Awards come miglior interpretazione maschile non protagonista per La città della speranza. Nel 1993 recita accanto a Tom Cruise in Il socio. Durante la metà degli anni novanta lavora, tra gli altri, in The River Wild - Il fiume della paura (1994), Lontano da Isaiah (1995), A casa per le vacanze (1995), L'ultima eclissi (1995) e La luce del crepuscolo (1997).
Una delle sue interpretazioni più importanti arriva nel 1997, quando ottiene il ruolo di Pierce Patchett in L.A. Confidential, accanto a Kim Basinger e Kevin Spacey.
Nel 2000 viene scelto dal regista Elie Chouraqui per il ruolo da protagonista in Harrison's Flowers, con Andie MacDowell. Nel 2002 è protagonista del film drammatico Blue Car, di Karen Moncrieff.
Nel 2004 lavora nel thriller di Philip Kaufman La tela dell'assassino, insieme ad Ashley Judd e Samuel L. Jackson. Nello stesso anno prende parte in un ruolo minore ma incisivo alla quinta stagione della pluripremiata serie televisiva I Soprano, nella parte del prof. Robert Wegler.
Successivamente, nel 2005, interpreta il ruolo del giornalista Edward R. Murrow, anchorman della CBS e figura storica della lotta al maccartismo in Good Night, and Good Luck. di George Clooney. Il film gli vale la Coppa Volpi per la miglior interpretazione maschile alla 62ª Mostra internazionale d'arte cinematografica di Venezia e numerosi altri riconoscimenti, oltre alla candidatura agli Oscar 2006.