Con una predisposizione più per la ribellione che per lo studio, il giovane Gary Sinise scopre la recitazione quasi per gioco alla scuola superiore con una rappresentazione del musical West Side Story. Folgorato dall'esperienza, a neanche vent'anni fonda con due amici una compagnia teatrale a Chicago, la Steppenwolf Theatre Company, che, partita da recite improvvisate negli scantinati di una chiesa, diviene in poco tempo una delle più acclamate della città. All'interno di essa conosce la compagna della vita Moira Harris e perfino John Malkovich, con il quale avvia una collaborazione che lo porterà fino ai palcoscenici del Cort Theatre di Broadway, dove nel 1990 realizzò una versione teatrale di Furore di John Steinbeck. Nel frattempo aveva anche avviato una carriera a Hollywood come regista, firmando due episodi della serie americana Crime Story e nel 1988 il film Gli irriducibili con Richard Gere. Il primo importante film come attore per il cinema lo gira nel 1992 con il film bellico sulla battaglia delle Ardenne Vicino alla fine assieme a Ethan Hawke. Nello stesso anno ottiene il primo riconoscimento rilevante come attore e regista cinematografico con un'altra opera di Steinbeck, Uomini e topi, con cui ritrova il compagno teatrale John Malkovich.
Ma la sua prima vera acclamazione da parte del pubblico la ottiene solo nelle vesti di attore due anni dopo con la miniserie televisiva tratta da Stephen King L'ombra dello scorpione e con l'immenso successo della candidatura all'Oscar per l'interpretazione del tenente Dan, veterano del Vietnam disabile, in Forrest Gump di Robert Zemeckis. Il successo e la fortunata compagnia di Tom Hanks li ritrova anche l'anno successivo con Apollo 13, cronaca della sfortunata impresa spaziale del 1970 diretta da Ron Howard, e poi nel 1999 con Il miglio verde.
Per il tutto il resto degli anni Novanta interpreta numerosi personaggi comprimari, soprattutto cattivi, sempre sotto l'egida dei più importanti registi di Hollywood: da Sam Raimi che lo dirige in Pronti a morire al collega Kevin Spacey, che lo vuole per il suo debutto nella regia Insoliti criminali; da una nuova collaborazione con Ron Howard in Ransom - Il riscatto alla doppia performance per Brian De Palma in Omicidio in diretta e Mission to Mars, fino al re dei film d'azione John Frankenheimer con Trappola criminale.
Dopo aver ottenuto anche numerosi premi per la sua interpretazione del presidente americano Truman in una fiction televisiva a lui dedicata, in seguito al 2000 la sua stella si appanna un poco per colpa di alcune scelte infelici e non particolarmente baciate dalla fortuna come La macchia umana con Anthony Hopkins e Nicole Kidman e il film tratto da Philip K. Dick Impostor.
Ma la sua fama riprende rapidamente quota grazie alla televisione e al personaggio del Detective Mac Taylor che interpreta dal 2004 nella versione newyorkese di CSI, in seguito alla quale può anche riprendersi il lusso di interpretare per l'ennesima volta un cattivo, prestando la voce al cacciatore del film d'animazione Boog & Elliot a caccia di amici.
