Udo Kier naît dans l'Allemagne nazie, sous les décombres d'un hôpital bombardé. A 18 ans, il part pour l'Angleterre, et prend au passage quelques cours de comédie. C'est durant cette période que le réalisateur Mike Sarne lui offre son premier rôle, celui d'un gigolo dans La Route de St. Tropez (1966), qui marque le début d'une longue carrière. Son premier succès, il le doit à Mark of the devil (1970), film d'épouvante (interdit dans 31 pays) dans lequel il est le baron Chritian von Mem, un chasseur de sorcières.
C'est lors d'un voyage qu'il rencontre Paul Morrissey, réalisateur de Chair pour Frankenstein (co-réalisé par Antonio Margheriti), où il interprète le docteur Frankenstein dans cette version 3D ultra-gore du roman de Mary Shelley. Ensemble, les deux hommes enchaînent avec Du sang pour Dracula, qui s'inscrit dans la même veine que son prédécesseur et transforme Kier en acteur culte.
Dans les années 80, le comédien travaille pratiquement exclusivement en Europe en persistant dans l'horreur grand-guignolesque (Docteur Jekyll et les femmes, 1981). En 1984, Kier réalise The Last Trip to Harrisburg, son premier film. Il réitère l'expérience en 2000 avec Broken cookies).
Son rôle de Hans dans le drame My Own Private Idaho (dont la bande originale comporte la chanson qu'il interprète dans le film) de Gus Van Sant en 1991 est le premier d'une série aux côtés de son ami Keanu Reeves (Even cowgirls get the blues, 1993, et Johnny Mnemonic, 1995), et lui ouvre les portes du marché américain. Suit, entres autres, son rôle de Curly, le faire-valoir de Pamela Anderson dans Barb Wire (1996).
L'acteur tourne donc dans plusieurs blockbusters américains, notamment à la fin des années 90 et au début des années 2000. On peut ainsi voir son physique inquiétant dans Armageddon de Michael Bay en 1998, Blade de Stephen Norrington la même année ou La Fin des temps de Peter Hyams en 1999 (il y donne la réplique à Arnold Schwarzenegger).
Egalement comparse de Lars von Trier, Udo Kier prouve qu'il ne délaisse pas le cinéma européen en apparaissant dans Breaking the waves (dans lequel il incarne un marin sadique) en 1996, et Dancer in the Dark (le docteur Porkorny) face à Bjork en 2000. En 2002, Kier joue sous la direction de son compatriote Werner Herzog pour Invincible, drame sur fond de Seconde Guerre Mondiale.
Le comédien retrouve par la suite son réalisateur fétiche, Lars Von Trier, pour tourner Dogville en 2003 et Manderlay en 2004. Udo retourne ensuite à l'un des genres qu'il affectionne, l'épouvante. Son physique menaçant et son regard perçant en font un excellent personnage pour les films de ce type. Ainsi, l'artiste tourne dans Dracula 3K - L'empire des ombres en 2004, Headspace de Andrew Van den Houten en 2005, un épisode de la série horrifique Les Maîtres de l'Horreur la même année ou Halloween de Rob Zombie, remake du film du même nom en 2007.
Le natif de Cologne impose ensuite sa présence électrique à la télévision en tournant dans des séries comme Chuck en 2009 ou Borgia en 2011. L'acteur affectionne également les projets insolites avec des rôles surprenants. On peut citer sa participation au film à sketches The Theatre Bizarre, sorti en 2012 et rendant hommage au genre du grand-guignol ou House of Boys, drame dans le milieu homosexuel à Amsterdam la même année, où Udo campe un personnage haut en couleurs répondant au sobriquet de Madame.