Come attore ha confermato di essere un bel talento eclettico, dotato di notevole trasformismo e buona vena comica. Una risorsa preziosa per il cinema internazionale che lo ha visto passare di successo in successo, stagione dopo stagione. Fantastico in versione transessuale in Il mondo secondo Garp, è ancora meglio come spalla comica nelle sitcom americane. Elemento divertente di molte pellicole (è il fantastico padre di Amy Adams in Una proposta per dire sì), riesce sempre meglio ad alternare ruoli d'attore a nuove esperienze in campo artistico, conducendo una carriera parallela che, c'è da scommetterci, potrebbe fare ancora più centro nella scatenata corsa all'Oscar con un ruolo meno popolare, ma libero e personale, magari una performance fortemente drammatica.

Il Tony Award
Nato a Rochester, figlio dell'attrice Sara Jane Price - che si ritirò anzitempo dalle scene scegliendo la vita famigliare - e da un produttore e direttore teatrale, frequenta prima la Princeton High School, poi ottiene una borsa di studio per la prestigiosa Harvard, dove diventerà compagno di stanza dell'ex vice presidente degli Stati Uniti Al Gore e dell'attore Tommy Lee Jones. Laureato con magna cum laude in Storia e Letteratura, rimane nella facoltà universitaria come membro del Board of Overseers, partecipando come attore all'opera "Utopia, Limited". Lì comprese che la sua vera strada poteva essere quella della recitazione ed è proprio dentro le mura dello stesso istituto che trova la sua prima moglie, Jean Thaynton, madre di suo figlio, l'attore Ian Lithgow. Il matrimonio naufragherà nel 1981, però, quando John Lithgow perderà la testa per una docente universitaria di economia, Mary Yeager, che gli darà altri due figli, Nathan George e Phoebe. Studente della London Academy of Music and Dramatic Art, debutta a Broadway già dal 1973, nella commedia di David Storey "Lo spogliatoio", ottenendo un Tony Award che lo innalzerà a miglior attore non protagonista.

I film con Brian De Palma
Il debutto cinematografico è segnato invece con il film di Paul Williams Dealing - Or the Berkeley-to-Boston Forty-Brick Lost-Bag Blues (1972) con Barbara Hershey. L'anno dopo, divide il palco con Lynn Redgrave in "My Fat Friend" e nel 1976, è con Meryl Streep in "A Memory of Two Mondays" di Arthur Miller. Vero e proprio animale da palcoscenico, determinato e autentico, gli viene proposto di interpretare il Dottor Frasier Crane nella serie Cheers, ma rifiuta. Scoperto da Brian De Palma, si lega con lui in un sodalizio artistico che lo vedrà trionfare in ruoli spesso negativo nei thriller migliori a cavallo fra gli anni Settanta e Ottanta: Complesso di colpa (1975), il capolavoro Blow Out (1981) con John Travolta - che tutti almeno una volta nella loro vita dovrebbero vedere - e Doppia personalità (1992) che gli varrà una nomination ai Saturn Award come miglior attore.

Il ruolo da transessuale Roberta
Dopo essere tornato con Meryl Streep nel film tv Secret Service (1997) e dopo aver lavorato con Henry Fonda in The Oldest Living Graduate (1980), è scelto per il ruolo di Lucas Sergeant nel musical mortale di Bob Fosse All that Jazz - Lo spettacolo continua (1979), anche se la sua miglior interpretazione in quegli anni, rimane quella del transessuale Roberta Muldoon nell'atipico Il mondo secondo Garp (1982) con Glenn Close e Robin Williams, che infatti gli varrà una nomination agli Oscar come miglior attore non protagonista. Candidatura che poi ritroverà grazie al film Voglia di tenerezza (1983) con Danny DeVito e Jack Nicholson (che gli strapperà il premio). Pellicola, questa, che accettò come ultima risorsa per rimpiazzare un altro attore e che fra l'altro girò durante i tre giorni di pausa dal set di Footloose (1984).

Le nominations ai Saturn Awards
Nominato ad altri due Saturn Award nella categoria miglior attore non protagonista per Ai confini della realtà (1983), girato a quattro mani da Joe Dante, John Landis, George Miller e Steven Spielberg, e per Le avventure di Buckaroo Banzai (1984) nel quale interpreta il ruolo dello psicotico fisico italiano Dr. Emilio Lizardo posseduto dall'alieno Lord John Whorfin, ne vincerà solo uno, quello per Ai confini della realtà.
Poi reciterà nel film tv Il giorno dopo (1983) e rifiuterà il ruolo di Doc Brown in Ritorno al futuro (1985, che andrà a Christopher Lloyd).

Depressione, terapia e ritorno
Candidato ai Tony per "Una faccia piena di pugni" (1985) e "M. Butterfly" (1988), attraversa un brutto momento critico dopo il divorzio dalla sua prima moglie, entrando in terapia. Ne uscirà solo qualche anno più tardi, anche se nel frattempo si impegnerà comunque in pellicole come Presunta assassina (1986) con Jodie Foster e qualche episodio del telefilm Storie incredibili (1986) che gli frutterà un Emmy Awards. È un periodo, questo, nel quale lavorerà soprattutto in televisione: Agente sì... ma di commercio (1989), L'ultima Africa (1990), Amici per sempre (1991), Per amore e per vendetta (1993), World War II - When Lions Roared (1994) con Michael Caine, Racconti di mezzanotte (1995), Cura d'amore (1995) e Frasier (1995). Rifiuterà persino il ruolo di Hannibal Lecter in Il silenzio degli innocenti (1991), mentre si impegnerà in altre pellicole come: Pazzi a Beverly Hills (1991) con Steve Martin, Verdetto finale (1991) con Denzel Washington, Cliffhanger (1993) con Sylvester Stallone (dove sarà il cattivo Eric Qualen, in profumo di Razzie Award come peggior attore non protagonista), Alla ricerca dello stregone (1993) con Sean Connery, Il rapporto Pelican (1993) con Julia Roberts, e infine La principessa degli intrighi (1994) con Kevin Kline e Una proposta per dire sì (2010).

L'enorme successo de Una famiglia del terzo tipo
Ma il successo maggiore lo trova grazie al ruolo dell'alieno mandato sulla Terra con l'identità di Dick Solomon, protagonista della sitcom Una famiglia del terzo tipo (1996-2001) con Kristen Johnston, French Stewart, Joseph Gordon-Levitt, Jane Curtin, Simbi Khali, Elmarie Wendel e Wayne Knight, trasmessa dalla NBC. Ruolo quello che gli permetterà di ricevere ben tre Emmy Awards come miglior attore e un Golden Globe.

I libri per bambini
Continuerà comunque ad alternare palco, cinema e televisione: da A Civil Action (1998) con John Travolta, Robert Duvall e Sydney Pollack al Tony Award come miglior attore per il musical "Piombo rovente" (2002), successo replicato con la sola candidatura per "Dirty Rotten Scoundrels" (trasposto cinematograficamente in Due figli di...). Ma vi è posto anche per la musica, con la pubblicazione, nel 1999, del suo primo album per bambini "Singin' in the Bathtub", seguito da "Farkle and Friends" e da "The Sunny Side of the Street". Sempre rimanendo nell'ottica infantile, è sua la voce americana del basso Lord Farquaad nel film d'animazione digitale Shrek (2001) con Mike Myers, Cameron Diaz ed Eddie Murphy (che ritroverà anche nel cast di Dreamgirls, 2006).

Altri telefilm
Attore del telefilm Freedom - A History of Us (2003) che raccoglieva il gotha del cinema americano (Michael Caine, Tom Hanks, Samuel L. Jackson, Kevin Kline, Susan Sarandon, Kevin Spacey, Julia Roberts, Anthony Hopkins, Brad Pitt, Meryl Streep, Robin Williams, Richard Gere etc. etc.), è uno dei protagonisti della miniserie Paloozaville (2006), Twenty Good Years (2006-2008) e Dexter (che gli vale nel 2010 la vittoria del Golden Globe come Miglior Attore non protagonista in una serie drammatica, 2009). Nel 2011 torna sul grande schermo, dove affianca il giovane divo James Franco nel prequel L'alba del pianeta delle scimmie; nel 2012 è nella commedia Candidato a sorpresa e nel 2013 affianca Paul Rudd nella commedia di Judd Apatow Questi sono i 40.
Attualmente è il magister Artium della Harvard University.