Un diplôme d'ingénieur en poche, Walter Brennan débute dans le vaudeville en se joignant à une petite troupe itinérante. Après la Première Guerre mondiale, il s'installe en Californie. A cette époque, Hollywood recrute des figurants en masse, et il est embauché comme cascadeur en 1923. Dans les rangs de la figuration, il rencontre celui qui devient un de ses meilleurs amis : Gary Cooper. Le nom de Walter Brennan apparaît pour la première fois en 1927 au générique de The Ridin' rowdy de Richard Thorpe.
Cascadeur, Walter Brennan se spécialise dans des rôles comiques après avoir perdu ses dents lors d'un tournage en 1932. En 1935, sa participation à The Wedding night de King Vidor lance définitivement sa carrière. L'acteur remporte son premier oscar dès 1937 : son personnage de Swan Bostrom dans Le Vandale (1936) d'Howard Hawks et William Wyler est couronné meilleur second rôle masculin. Deux années plus tard, il obtient un deuxième oscar pour son interprétation du vieux Peter Goodwin dans Kentucky (1938) de David Butler. En 1941, Walter Brennan reçoit un troisième oscar, devenant ainsi le seul acteur à être récompensé à trois reprises en moins de cinq ans. Il remporte le prestigieux trophée pour son interprétation du truculent juge Roy Bean du Cavalier du désert (1940) de William Wyler. La même année, il est nominé pour son interprétation du pasteur Rossier Pile dans Sergent York d'Howard Hawks. Le talent de Walter Brennan lui permet d'incarner des rôles diversifiés. Inoubliable en Eddie, le compagnon excentrique et alcoolique d'Humphrey Bogart dans Le Port de l'angoisse (1944) d'Howard Hawks, il sait aussi jouer les méchants comme dans La Poursuite infernale de John Ford où il interprète le chef de clan Clanton. Dans les années qui suivent, il devient l'archétype du vieux cow-boy édenté et blagueur, volontiers misogyne. Sa plus célèbre composition du genre est celle de Stumpy dans Rio Bravo (1989) d'Howard Hawks. A partir des années 1960, il continue d'apparaître dans des westerns mais se consacre surtout au petit écran.
A partir de 1956, Walter Brennan devient une célébrité de la télévision. Il incarne le populaire Grandpa Mac Coy de la série The Real Mac Coys. Il est aussi la vedette des séries Guns to Will Sonnett, Tycoon et To Rome, with love.
Walter Brennan enregistre une chanson classée au hit-parade, " Old Rivers ".
Courts métrages 1930 | Ooh la-la | Harry Edwards |
| 1930 | Parlez Vous | Albert Ray |
| 1931 | Hello Russia | Harry Edwards |
| 1931 | Scratch-As-Catch-Can | Mark Sandrich |
| 1932 | Iceman's Ball | Mark Sandrich |
| 1933 | Rustlers' Roundup | Henry MacRae |
| 1934 | Fishing for Trouble | Sam White |
| 1934 | Radio Dough | Al Boasberg |
| 1934 | Woman Haters | Clyde Bruckman |
| 1935 | Brick-a-brac | Sam White |
| 1935 | Hunger Pains | George Stevens |
| 1935 | Perfect Tribute (The) | Edward S. Sloman |
| 1935 | Restless Knights | Charles Lamont |
| 1935 | Spring Tonic | Clyde Bruckman |
| 1943 | Last Will and Testament of Tom Smith (The) | Harold S. Bucquet |
| 1955 | Man on a Bus | Joseph H. Lewis |
| 1955 | Screen Snapshots : Hollywood Plays Golf | Ralph Staub |
Longs métrages| 1927 | Flashing Oars | Wesley Ruggles |
| 1927 | Ridin' Rowdy (The) | Richard Thorpe |
| 1927 | Tearin' into Trouble | Richard Thorpe |
| 1928 | Ballyhoo Buster (The) | Richard Thorpe |
| 1928 | Smilin' Guns | Henry MacRae |
| 1929 | Lariat Kid (The) | B. Reeves Eason |
| 1929 | Long Long Trail Qui a bu boira | Arthur Rosson |
| 1929 | One Hysterical Night Une nuit historique | William James Craft |
| 1929 | Shannons of Broadway (The) | Emmett J. Flynn |
| 1930 | King of Jazz La Féérie du jazz = Le Roi du jazz | John Murray Anderson |
| 1931 | A House Divided Orages | William Wyler |
| 1931 | Dancing Dynamite | Noel M. Smith |
| 1931 | Honeymoon Lane | William James Craft |
| 1931 | Is There Justice ? | Stuart Paton |
| 1931 | Neck and Neck | Richard Thorpe |
| 1932 | Airmal Mystery (The) | Ray Taylor |
| 1932 | All American (The) | Russell Mack |
| 1932 | Cornered | Reeves Eason |
| 1932 | Fighting for Justice | Otto Brower |
| 1932 | Fourth Horseman (The) | Hamilton MacFadden |
| 1932 | Hello Trouble | Lambert Hillyer |
| 1932 | Law and Order | Edward L. Cahn |
| 1932 | Man of Action | George Melford |
| 1932 | Silent Men | D. Ross Lederman |
| 1932 | Speed Madness | Bruce Crone |
| 1932 | Texas Cyclone | D. Ross Lederman |
| 1932 | Two-Fisted Law | D. Ross Lederman |
| 1933 | Invisible Man (The) L'Homme invisible | James Whale |
| 1933 | My Woman | Victor Schertzinger |
| 1933 | One Year Later | E. Mason Hopper |
| 1933 | Phantom of the Air (The) | Ray Taylor |
| 1933 | Sensation Hunters Chasseurs de sensations | Charles Vidor |
| 1933 | Sing Sinner Sing | Howard Christie |
| 1933 | You Can't Buy Everything | Charles F. Riesner |
| 1934 | A Wicked Woman | Charles J. Brabin |
| 1934 | Beloved | Victor Schertzinger |
| 1934 | Cheating Cheaters Audaces féminines | Richard Thorpe |
| 1934 | Death on the Diamond | Edward Sedgwick |
| 1934 | Fugitive Lovers Les Amants fugitifs | Richard Boleslawski |
| 1934 | Good Dame | Marion Gering |
| 1934 | Great Expectations | Stuart Walker |
| 1934 | Half a Sinner | Kurt Neumann |
| 1934 | Helldorado | James Cruze |
| 1934 | I'll Tell the World | Edward Sedgwick |
| 1934 | Law Beyond the Range | Ford Beebe |
| 1934 | Life of Vergie Winters (The) Le Calvaire de Flora Winters | Alfred Santell |
| 1934 | Murder in the Private Car | Harry Beaumont |
| 1934 | Northern Frontier | Sam Neufield |
| 1934 | Paradise Valley | James P. Hogan |
| 1934 | Prescott Kid (The) | David Selman |
| 1934 | Riptide Quand une femme aime | Edmund Goulding |
| 1934 | Tailspin Tommy [Jean Bolide] | Lew Landers |
| 1934 | There's Always Tomorrow | Edward S. Sloman |
| 1934 | Uncertain Lady | Karl Freund |
| 1934 | Whom the Gods Destroy Naufrage | Walter Lang |
| 1935 | Barbary Coast Ville sans loi | Howard Hawks |
| 1935 | Bride of Frankenstein (The) La Fiancée de Frankenstein | James Whale |
| 1935 | Lady Tubbs | Alan Crosland |
| 1935 | Man on the Flying Trapeze Joie de la famille | Clyde Bruckman |
| 1935 | Metropolitan | Richard Boleslawski |
| 1935 | Mystery of Edwin Drood | Stuart Walker |
| 1935 | Party Wire | Erle C. Kenton |
| 1935 | Seven Keys to Baldpate | William Hamilton, Edward Killy |
| 1935 | These Three Ils étaient trois | William Wyler |
| 1935 | Three Godfathers [Sans amour] = [Le Fils du désert] | Richard Boleslawski |
| 1935 | Wedding Night (The) Soir de noces | King Vidor |
| 1935 | Welcome Home | James Tinling |
| 1936 | Banjo on My Knee Saint-Louis Blues | John Cromwell |
| 1936 | Come and Get It Le Vandale | William Wyler, Howard Hawks |
| 1936 | Fury Furie | Fritz Lang |
| 1936 | Moon's Our Home (The) Diable au corps | William A. Seiter |
| 1936 | She's Dangerous | Milton Carruth, Lewis R. Foster |
| 1937 | Adventures of Tom Sawyer (The) Les Aventures de Tom Sawyer | Norman Taurog |
| 1937 | Affairs of Cappy Ricks (The) | Ralph Staub |
| 1937 | Buccaneer (The) Les Flibustiers | Cecil B. DeMille |
| 1937 | When Love Is Young | Hal Mohr |
| 1937 | Wild and Wooly | Alfred L. Werker |
| 1938 | Cowboy and the Lady (The) Madame et son cowboy | Henry C. Potter |
| 1938 | Kentucky | David Butler |
| 1938 | Mother Carey's Chickens | Rowland V. Lee |
| 1938 | Texans (The) La Ruée sauvage | James P. Hogan |
| 1938 | They Shall Have Music Mélodie de la jeunesse | Archie Mayo |
| 1939 | Joe and Ethel Turp Call on the President | Robert B. Sinclair |
| 1939 | Story of Vernon and Irene Castle (The) La Grande farandole | Henry C. Potter |
| 1939 | Westerner (The) Le Cavalier du désert | William Wyler |
| 1940 | Maryland | Henry King |
| 1940 | Meet John Doe L'Homme de la rue | Frank Capra |
| 1940 | Nice Girl ? Toute à toi | William A. Seiter |
| 1940 | Northwest Passage Le Grand passage | King Vidor |
| 1940 | Stanley and Livingstone Stanley et Livingstone | Henry King |
| 1941 | Rise and Shine | Allan Dwan |
| 1941 | Sergeant York Sergent York | Howard Hawks |
| 1941 | Swamp Water L'Etang tragique | Jean Renoir |
| 1942 | Hangmen also Die ! Les Bourreaux meurent aussi | Fritz Lang |
| 1942 | Pride of the Yankees (The) Vainqueur du destin | Sam Wood |
| 1942 | Stand by for Action | Robert Z. Leonard |
| 1943 | Home in Indiana Le Jockey de l'amour | Henry Hathaway |
| 1943 | North Star (The) L'Étoile du Nord | Lewis Milestone |
| 1943 | Slightly Dangerous L'Amour travesti | Wesley Ruggles |
| 1944 | Princess and the Pirate (The) La Princesse et le pirate | David Butler |
| 1944 | To Have and Have Not Le Port de l'angoisse | Howard Hawks |
| 1945 | A Stolen Life La Voleuse | Curtis Bernhardt |
| 1945 | Centennial Summer [Quadrille d'amour] | Otto Preminger |
| 1945 | Dakota | Joseph Kane |
| 1945 | Nobody Lives Forever | Jean Negulesco |
| 1946 | My Darling Clementine La Poursuite infernale | John Ford |
| 1946 | Red River La Rivière rouge | Howard Hawks, Arthur Rosson |
| 1948 | Blood on the Moon Ciel rouge | Robert Wise |
| 1948 | Driftwood | Allan Dwan |
| 1948 | Scudda - Hoo ! Scudda - Hay ! | F. Hugh Herbert |
| 1949 | Brimstone | Joseph Kane |
| 1949 | Green Promise (The) | William D. Russell |
| 1949 | Task Force Horizons en flammes | Delmer Daves |
| 1950 | A Ticket to Tomahawk Le Petit train du Far-West | Richard Sale |
| 1950 | Curtain Call at Cactus Creek | Charles Lamont |
| 1950 | Showdown (The) | Dorrell McGowan, Stuart McGowan |
| 1950 | Singing Guns | R.G. Springsteen |
| 1950 | Surrender | Allan Dwan |
| 1951 | Along the Great Divide Le Désert de la peur = Une corde pour te pendre | Raoul Walsh |
| 1951 | Best of the Badmen | William D. Russell |
| 1951 | Wild Blue Yonder | Allan Dwan |
| 1952 | Lure of the Wilderness Prisonniers du marais | Jean Negulesco |
| 1952 | Return of the Texan | Delmer Daves |
| 1953 | Drums Across the River La Rivière sanglante | Nathan Juran |
| 1953 | Far Country (The) Je suis un aventurier | Anthony Mann |
| 1954 | Bad Day at Black Rock Un homme est passé | John Sturges |
| 1954 | Four Guns to the Border Quatre tueurs et une fille | Richard Carlson |
| 1954 | Sea of Lost Ships La Mer des bateaux perdus | Joseph Kane |
| 1955 | Come Next Spring Celui qu'on n'attendait plus | R.G. Springsteen |
| 1955 | Glory | David Butler |
| 1955 | Goodbye, My Lady | William A. Wellman |
| 1955 | Gun Point Le Doigt sur la gâchette | Alfred L. Werker |
| 1956 | Proud Ones (The) Le Sherif | Robert D. Webb |
| 1956 | Tammy and the Bachelor | Joseph Pevney |
| 1957 | Way to the Gold (The) | Robert D. Webb |
| 1958 | Rio Bravo | Howard Hawks |
| 1961 | How the West Was Won La Conquête de l'Ouest | John Ford, George Marshall, Henry Hathaway |
| 1963 | Those Calloways Calloway le trappeur | Norman Tokar |
| 1965 | Gnome-Mobile (The) [Les Petits Hommes de la forêt] | Robert Stevenson |
| 1965 | Oscar (The) La Statue en or massif | Russell Rouse |
| 1966 | Who's Minding the Mint ? | Howard Morris |
| 1967 | One and Only, Genuine, Original Family Band (The) | Michael O'Herlihy |
| 1968 | Support Your Local Sherif Ne tirez pas sur le shérif | Burt Kennedy |
| 1971 | Smoke in the Wind | Andy Brennan, Joseph Kane |