Figlio di Robert Dullea e Margherita Ruttan, cresce nel Greenwich Village di New York, dove i suoi genitori avevano avviato una libreria. Si laurea alla George School in Pennsylvania. Dullea debutta in televisione nel 1960 nel film La signora Miniver, nel quale interpreta il ruolo di un pilota tedesco, mentre l'anno dopo esordisce sul grande schermo con Le canaglie dormono in pace di Irvin Kershner.
La svolta della carriera di Dullea avviene nel 1968, quando interpreta l'astronauta David Bowman nel film 2001: Odissea nello spazio, uno dei massimi capolavori di Stanley Kubrick. In seguito al grande successo della pellicola, nella memoria del pubblico e anche per la critica internazionale, l'attore rimane inevitabilmente legato al suo ruolo più celebre e incontra qualche difficoltà a rinnovare la propria popolarità al cinema. Nonostante ciò avrà una lunga carriera come attore teatrale, soprattutto a New York.
Nel 1983 fonda il "Theater Artists Workshop of Westport". Appare sul piccolo schermo nella miniserie Il mondo nuovo (1980), dal celebre romanzodistopico di Aldous Huxley, in cui interpreta il ruolo del padre del selvaggio John, mentre nel 1984 riprende lo storico ruolo di David Bowman nel film 2010 - L'anno del contatto, diretto da Peter Hyams, sequel meno fortunato del leggendario film di Kubrick.
Vita privata
Si è sposato quattro volte: dal 1960 al 1968 con l'attrice Margot Bennett; nel 1969 con Susan Schloss Lessans; nel 1972 con Susan P. Fuller, con cui è rimasto fino alla morte di lei, nel 1998; dal 1999 è sposato con l'attrice Mia Dillon.
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