Ray Liotta nasce nel New Jersey e ha solo sei mesi quando viene adottato da Mary e Alfred Liotta, entrambi cattolici e impegnati nel partito democratico e sul lavoro. Ray ritrova la madre naturale negli anni Duemila: scoprirà che le sue origini non sono italiane ma scozzesi (anche se il cognome acquisito condizionerà in parte la sua carriera) e di avere, oltre a una sorella, un fratellastro e cinque sorellastre.
Inizia a recitare ai tempi del college, dove appare, come lui stesso racconta, in numerosi musical. Dopo la laurea in Belle Arti all'Università di Miami si trasferisce a New York dove lavora come barista ai teatri Shubert e in soli sei mesi trova un agente e un lavoro in televisione. Col suo aspetto affascinante interpreta per 8 episodi l'italo-americano Joey Perrini nella soap-opera Destini, a cui seguono ruoli nelle serie tv Casablanca e L'onore della famiglia, dove è un poliziotto (ancora) di origine italiana. Nel 1983 fa il suo debutto cinematografico in Donna sola, con una piccola parte che si ricorda solo perché cerca di stuprare Pia Zadora con un... tubo da giardino. Continua a lavorare in tv e a studiare recitazione ma il suo vero e proprio esordio arriva solo nel 1986, quando ha già 31 anni: è l'ex marito galeotto della protagonista – uno dei suoi molti ruoli da psicopatico – nella commedia di Jonathan Demme Qualcosa di travolgente. Per il ruolo ottiene una candidatura al Golden Globe. Nel 1988 è il gemello di un giovane handicappato mentale - interpretato da Tom Hulce - nel drammatico Nick e Gino e l'anno successivo è L'uomo dei sogni del film omonimo, il fantasma del giocatore di baseball Shoeless Joe Jackson che fa costruire il campo a Kevin Costner. Uno dei suoi ruoli migliori glielo offre Martin Scorsese: in Quei bravi ragazzi (1990) è bravissimo nel ruolo dell'ambizioso Henry Hill, un piccolo gangster disposto a tutto pur di farsi strada negli alti ranghi della mafia. Negli anni Novanta quella di Liotta è una presenza costante al cinema, in film commerciali non sempre all'altezza del suo talento come Articolo 99, Abuso di potere, Fuga da Absolom e Quando gli elefanti volavano.
Sulla fine del decennio sono degne di nota le sue interpretazioni del poliziotto psicopatico in Cop Land e nel meno noto Phoenix, di cui è protagonista nel ruolo di un altro tutore della legge, stavolta onesto, che si trova nei guai per colpa del vizio del gioco d'azzardo. Nel 1998 è Frank Sinatra nel tv movie Rat-Pack, per cui riceve una nomination al premio della Screen Actors' Guild. Nel 2001 in Hannibal è Paul Kendler, corrotto superiore di Clarice Starling, costretto nel finale a mangiare il proprio cervello dal protagonista. Nello stesso anno è il padre del personaggio di Johnny Depp in Blow, mentre nel 2002 Joe Carnahan gli offre un grande ruolo protagonista, al fianco di Jason Patric, nel tesissimo poliziesco Narc. Appesantito per il ruolo, Liotta è davvero minaccioso nel ruolo di Henry Oak, un poliziotto che ha molte cose da nascondere. Nel 2003 è interprete del thriller-horror Identità e nel 2005 vince un Emmy come guest-star per la sua apparizione in un episodio della serie E.R. Lavora stabilmente come caratterista nel primo decennio degli anni Duemila, in film in parte inediti e a volte di moderato successo come Smokin' Aces, ancora diretto da Carnahan, e Svalvolati on the road con John Travolta. E' uno dei protagonisti dell'unica stagione della serie tv Smith tra il 2006 e il 2007 e al cinema interpreta anche commedie (Ricomincio da zero, 2010), family movies (Snowmen) e film di scarso richiamo al box-office nonostante il cast (The Son of No One con Al Pacino, 2011). Ruoli (e film) migliori arrivano nel 2012 col corale Cogan-Killing Them Softly e con la true-crime story The Iceman di Ariel Vromen. Vero e proprio workaholic, Liotta nel 2014 accumula moltissime partecipazioni televisive e cinematografiche per tutto il 2014. Tra queste ricordiamo lo sfortunato Stretch (sua terza prova con Joe Carnahan), Muppets 2 e Sin City - Una donna per cui uccidere.
Appassionato di cavalli e dall'umore notoriamente volubile, Liotta è stato sposato dal 1997 al 2004 on l'attrice Michelle Grace, che nel 1998 gli ha dato la sua unica figlia, Karsen.