Natif de Ryan, dans l'Oklahoma, Carlos Ray Norris a deux frères cadets, dont l'un est le producteur hollywoodien Aaron Norris. Ses parents sont tous deux de souches indienne (cherokee) et irlandaise. Alors qu'il n'a que douze ans, ses parents divorcent et il déménage en Californie avec sa mère et ses frères. C'est là qu'il finit ses études au lycée et se marie rapidement avec sa petite amie, Diane Holechek. Après son mariage, il rejoint l'US Air Force et est envoyé faire son service militaire à la base d'Osan, en Corée du Sud. C'est là qu'il acquiert le surnom de Chuck et qu'il commence à apprendre le Tangsudo.Il retourne ensuite aux États-Unis, dans la base de March, en Californie. Il termine ses services à l'armée en août 1962 sans avoir pris part à un autre combat que les entraînements de la base. Il possède une ceinture noire en Tangsudo, Tae Kwon Do, et est le fondateur du Chun Kuk Do (La voie universelle). Il a également pratiqué le judo, le karaté et le ju-jitsu. Il est le fondateur de l'UFAF (United Fighting Arts Federation).
À son retour, il travaille pour la société Northrop et ouvre une école de karaté fréquentée par de nombreuses célébrités, dont Steve McQueen. Son fils Mike naît en 1963 suivi par sa fille Dina en 1964 et d'un second fils, Eric en 1965. L'année 1964 marque un tournant dans la vie de Chuck Norris : il rencontre Bruce Lee qui va lui donner un second rôle dans La Fureur du dragon en 1972. Malgré une amitié affichée entre les deux hommes, il semble cependant que leurs relations ont été parfois tumultueuses.
En 1968, Norris devient champion de karaté dans la catégorie poids moyen, et en 1969, il remporte la triple couronne en karaté pour le record des tournois remportés dans l'année, et le titre de combattant de l'année pour le Black Belt Magazine. C'est en 1968 qu'il débute au cinéma, dans The Wrecking Crew. En 1970, son plus jeune frère Weiland meurt au Viêt Nam : Chuck lui dédicacera plus tard son film Portés disparus. En 1972, il joue avec Bruce Lee dans La Fureur du dragon, et en 1974, McQueen l'encourage à prendre des cours d'art dramatique au MGM Studio, sous la férule de Jonathan Harris.
Il enchaîne alors les succès avec des séries de films comme Invasion USA, Delta Force et Portés disparus.
Après trente ans de mariage, Norris et Holechek divorcent. En 1990, Norris a fondé l'association Kick Drugs Out of America, renommée depuis KICKSTART.
Mais à la fin des années 1980, Norris ne remplit plus autant les salles, et son producteur principal Cannon Group, à l'origine de ses films, est rachetée par la MGM après sa banqueroute. Il se tourne alors vers la télévision en se lançant dans la série Walker, Texas Ranger en 1993. Cette série est un succès : elle compte neuf saisons et continue d'être diffusée sur de très nombreuses chaînes à travers le monde.
