Primogenito dei tre figli di Edward Mower Norton Jr., procuratore federale e avvocato ambientalista, e di Lydia Robinson Rouse, insegnante di inglese, Edward Harrison Norton nasce a Boston ma cresce a Columbia nel Maryland. Il nonno materno è uno dei responsabili dello sviluppo urbano della cittadina, così come del porto di Baltimora. È proprio a Baltimora che Norton all'età di cinque anni inizia a frequentare una scuola di recitazione. Dal 1981 al 1985 frequenta un noto campo estivo nel New Hamphire, in cui gli alunni sono coinvolti in svariate attività sportive e artistiche, vincendo un premio teatrale nel 1984.
Si iscrive all'Università di Yale dove studia astronomia, storia orientale e giapponese e si laurea in Storia dell'Arte nel 1991. Anche qui coltiva la passione per la recitazione prendendo parte alle produzioni universitarie e incontrando Paul Giamatti. Scegli di partire per il Giappone accettando un posto di lavoro nella società del nonno. Tre anni più tardi ritorna a New York e tenta il tutto per tutto per costruirsi una carriera d’attore. Mentre si mantiene con un impiego da cameriere, appare in diverse produzioni teatrali off Broadway finché non lo nota il famoso drammaturgo Edward Albee che lo scrittura per recitare in "Fragments".
Nel 1996 Leonardo DiCaprio rifiuta un ruolo in Schegge di paura mettendo in difficoltà i produttori che a questo punto cercano disperatamente un co-protagonista da affiancare a Richard Gere (che minaccia di andarsene). Dopo innumerevoli audizioni (si parla di duemila circa) nessuno riesce a dimostrarsi all'altezza. Edward Norton si presenta al provino parlando con un'inflessione meridionale e affermando di venire dal Kentucky, proprio come il personaggio richiesto. È fatta, la parte è sua. Nel film interpreta Aaron Stampler, un ragazzo che cammina sul crinale della follia, accusato dell'assassinio del vescovo di Chicago e apparentemente innocente. Per Norton è un debutto talmente convincente che conquista immediatamente la sua prima nomination all'Oscar come attore non protagonista.
Sempre nel corso del 1996 ottiene ruoli secondari in Tutti dicono I Love You di Woody Allen e in Larry Flint - Oltre lo scandalo di Milos Forman. Sul set del film incontra Courtney Love a cui si lega sentimentalmente fino al 1998. Successivamente recita insieme a Matt Damon ne Il giocatore - Rounders (1998). Il film seguente segna un altro passaggio importante della sua carriera. Mangiando bistecche a volontà e allenandosi ogni giorno in palestra, mette su la massa muscolare richiesta per il neo-nazista Derek Vinyard di American History X (1998) che gli vale la seconda nomination all'Oscar. A questo punto David Fincher lo chiama per affiancare Brad Pitt in Fight Club (1999) in cui regala una grandiosa performance per un film diventato cult.
Norton nel 2000 asseconda uno dei suoi desideri debuttando come regista e sceneggiatore con la commedia Tentazioni d'amore. Ben Stiller, Jenna Elfman e lui stesso sono i protagonisti. Divide il set con Robert De Niro e Marlon Brando nel non memorabile The Score (2001) prima di calcare il red carpet della Mostra del Cinema di Venezia presentando Frida (2002) di Julie Taymor. Lo stesso anno partecipa come protagonista al terzo film sull'Hannibal Lecter di Anthony Hopkins, Red Dragon di Brett Ratner. Ma il 2002 è anche l'anno di un'altra fondamentale prova d’attore nel meraviglioso La 25ª ora di Spike Lee.
Alterna titoli ad alto budget (The Italian Job e Le crociate) con film più intimisti (Il velo dipinto e Down in the Valley di cui è anche produttore). Il tentativo della Marvel di dare vita nuova all'energumeno verde, lo porta ad essere scelto per interpretare Bruce Banner in L'incredibile Hulk (2008). Il film non accontenta tutti e alcune divergenze creative tra l'attore e i produttori, fanno sì che il successivo Hulk in The Avengers venga interpretato da un altro attore (Mark Ruffalo). Un infilata di titoli mediocri, The Illusionist, Pride and Glory, Stone e Fratelli in erba (doppio ruolo sullo schermo per lui e co-produzione) torna ad una certa popolarità tra il grande pubblico con The Bourne Legacy (2012) e di fronte alla critica con Moonrise Kingdom (2012) di Wes Anderson. Il 2014 per Edward Norton si rivela essere un'ottima annata. È nel cast di Grand Budapest Hotel, sempre di Wes Anderson, e in Birdman di Alejandro González Iñárritu. Entrambi sono nominati all'Oscar tra i migliori film dell'anno e lo stesso Norton conquista la terza nomination per Birdman come miglior attore non protagonista.