Après avoir étudié la comédie à l'université de Miami, où il devient ami avec l'acteur Steven Bauer, Ray Liotta fait ses débuts à la télévision dans les séries Another world (1983) et Casablanca (id.), avant de faire ses premiers pas au cinéma avec The Lonely lady (id.). C'est en 1986, sur la recommandation de Melanie Griffith (alors mariée avec Steven Bauer), qu'il joue aux côtés de l'actrice son premier rôle important, celui d'un mari psychopathe, dans Dangereuse sous tous rapports. En 1989 il joue avec brio le rôle du baseballeur Shooless Joe Jackson dans le film "Field of Dreams" avec Kevin Costner et James Earl Jones. Mais il accède véritablement à la consécration en 1990 avec Les Affranchis de Martin Scorsese, film de mafieux dans lequel il incarne le gangster Henry Hill et apparaît comme le digne successeur de Robert De Niro et d'Al Pacino dans ce type de rôle.

Habitué aux polars, il interprète un flic peu recommandable dans Obsession fatale (1992) de Jonathan Kaplan, un médecin légiste à la recherche du meurtrier de sa femme dans Mémoires suspectes (1996) de John Dahl, un policier toxicomane dans Copland (1997) de James Mangold, ou encore un agent du FBI ambigu dans Hannibal (2001) de Ridley Scott. Souvent cantonné dans des rôles de second couteaux, il alterne les genres. A l'aise dans les films fantastiques (Absolom 2022), il l'est tout autant dans les comédies légères : père de famille veuf dans la comédie familiale Corrina (1994), ou encore sous les traits d'un homme riche trompé par Sigourney Weaver dans Beautés empoisonnées en 2001.

En 2002, Ray Liotta produit, via sa société Tiara Blu Films, Narc, un polar nerveux signé Joe Carnahan dans lequel il interprète un officier des stups aux méthodes expéditives. L'année suivante, il entre dans la peau d'un flic trouble dans le thriller labyrinthique Identity, avant d'enchaîner par une série de films aux succès limités et qui ne sortiront pas du marché américain. En 2005, Guy Ritchie lui confie le rôle d'un truand de haute volée aux prises avec son rival de toujours interprété par Jason Statham pour les besoins de Revolver. En 2007, il se joint au casting d'une nouvelle comédie, Bande de sauvages, dans lequel il donne la réplique aux bikers John Travolta, Martin Lawrence et William H. Macy.