Fils de John Carradine, Keith développe dès l'adolescence un fort intérêt pour le théâtre et la musique. En 1969, il auditionne pour Hair, la comédie musicale et décroche un rôle qui le fait jouer à Broadway durant un an. Issu d'une famille de comédiens dédiée au cinéma, c'est tout naturel qu'il s'y frotte dès 1971 dans John McCabe de Robert Altman où il fait de la figuration.
Le temps de faire une apparition dans la série de son demi-frère David, Kung Fu, il trouve son premier grand rôle dans Nashville où il retrouve Robert Altman. Par la suite, il tourne avec Ridley Scott (Les duellistes), Louis Malle (La petite), Michael Schultz pour l'adaptation cinématographique de l'album des Beatles Sgt. Pepper's Lonely Hearts Club Band puis avec Walter Hill ( Le Gang des frères James, 1980). Il va traverser le paysage de la télévsion en y revenant régulièrement par l'intermédiaire de nombreux téléfilms.
Au début des années 2000, il incarne Nick Savage dans la série Les Savages produite par Mel Gibson pour ABC malheureusement annulée après une saison. Son véritable retour en force arrive en 2007, au courant de la saison 2 de la série Dexter, où Carradine incarne Frank Lundy, l'agent du FBI chargé de traquer le légiste.
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