Originaire de Brooklyn, Lawrence Tierney est repéré au début des années 40 par le studio RKO lors d'une tournée avec sa troupe de comédiens américo-irlandais. Il débute sur grand écran en 1943 avec une apparition non-créditée dans la comédie musicale Sing Your Worries Away produire par la RKO.

Sept productions RKO plus tard, Lawrence Tierney se fait un nom grâce à son interprétation du rôle titre du Dillinger de Max Nosseck (1945). L'acteur y incarne le truand John Dillinger qui deviendra l'ennemi public numéro un aux États-Unis. Grand, blond, le regard froid, Lawrence Tierney affiche le physique du parfait malfaiteur ou du pire tueur. C'est le cas en 1946 dans La Ville des sans-loi de Tim Whelan, en 1947 dans Né pour tuer de Robert Wise ou encore dans Bodyguard de Richard Fleischer (1948).

En 1952, Lawrence Tierney rejoint la troupe de Sous le plus grand chapiteau du monde de Cecil B. DeMille, puis participe à la Guerre de sécession dans Custer, l'homme de l'ouest de Robert Siodmak en 1967. Alternant entre le petit et le grand écran, le comédien rejoint l'univers noir de Gloria de John Cassavetes en 1980, puis celui à peine moins trouble de L'Honneur des Prizzi de John Huston cinq ans plus tard, cette fois sous les traits d'un inspecteur de police. Des rôles de gangsters que Lawrence Tierney prolonge dans sa vie, en multipliant les altercations publiques (il est même poignardé en 1973 lors d'une bagarre). En 1987, il est à l'affiche des Vrais durs ne dansent pas de Norman Mailer, dont le titre semble résumer sa propre vie.

En 1992, l'acteur se fait connaître de la jeune génération grâce au Reservoir Dogs du très cinéphile Quentin Tarantino, qui lui offre le rôle de l'instigateur du cambriolage sanglant. En fin de carrière, Lawrence Tierney se tourne vers des rôles plus légers, comme dans la comédie Jr. d'Ivan Reitman (1994) ou encore en astronome amateur pour une apparition non-créditée dans Armageddon de Michael Bay (1998).