İlk film rolü, sıradışı bir film olan *Tomahawk Trail* (1957) idi, ancak hızla fark edildi ve 1950'lerin sonu ile 1960'ların başında kovboy ve asker rollerinde küçük rollerde düzenli olarak göründü. Yıldızı yükselmeye devam etti ve *Cool Hand Luke* (1967), *Kelly's Heroes* (1970), *Dillinger* (1973), *The Godfather Part II* (1974) ve *Alien* (1979) gibi filmlerde rahat tarzını sergileyebileceği daha iyi roller aldı. Tam da bu sırada yönetmen Wim Wenders'in dikkatini çekti ve Wenders onu en iyi rollerinden biri olan, dokunaklı *Paris, Texas* (1984) filmindeki Travis rolüne cast etti. Ardından bağımsız yönetmen Alex Cox, ona kült film *Repo Man* (1984)'deki tuhaf rolüyle ön plana çıkma fırsatı verdi.

Stanton artık yoğun bir talep görüyordu ve benzersiz görünümü, onu anaakım bir film olan *Pretty in Pink* (1986)'da bir banliyö babasından, *Wild at Heart* (1990)'da talihsiz bir özel dedektife ve *Escape from New York* (1981)'da tuhaf bir bilim insanına kadar pek çok farklı rolde oynattı. Film performanslarının yanı sıra, yetenekli bir müzisyendi ve "The Harry Dean Stanton Band" ve onların mariachi müziğine getirdiği benzersiz yorumu, on yıldan fazla bir süre birlikte çaldı. Grup uluslararası turlara çıktı. Stanton sinema ve müziğin bir kült figürü haline geldi ve Debbie Harry, 1990'ların hit şarkısı "I Want That Man"da "Harry Dean ile dans etmek istiyorum..." nakaratını söylerken ondan bahsediyordu. Stanton ekranda istikrarlı bir şekilde aktif kalmaya devam etti, son olarak *Fear and Loathing in Las Vegas* (1998), *The Green Mile* (1999) ve *The Man Who Cried* (2000) gibi filmlerde göründü.