Родился в лондонских трущобах 14 марта 1933 г. В школе учился плохо, долгое время бедствовал и подумывал о том, чтобы бросить актёрскую стезю. В возрасте 30 лет наконец достиг международного признания, сыграв лейтенанта-аристократа в фильме «Зулусы» 1964 г. По рекомендации Шона Коннери был взят в фильм «Досье "Ипкресс"» на главную роль Гарри Палмера, эксцентричного шпиона-ловеласа в очках, впоследствии ставшего культовым персонажем и прототипом Остина Пауэрса. За роль «Альфи» в одноименном фильме 1966 г. номинирован на премию «Оскар».

Если основной чертой исполненных Кейном в 1960-е годы ролей было внутреннее благородство, то на рубеже семидесятых он снялся в двух весьма успешных комедиях: «Ящик Пандоры» и «Ограбление по-итальянски». В 1972 г. сыграл вместе с Лоуренсом Оливье в трагикомедии «Игра на вылет» и вновь был номинирован на «Оскар».

Начиная со второй половины 1970-х, Кейна часто упрекали в неразборчивости при выборе ролей. Многие фильмы с его участием с треском провалились, но были и отдельные художественные успехи: роли профессора-алкоголика в «Воспитании Риты» (1983) и профессионального ловеласа в «Отпетых мошенниках» (1988) выиграли по «Золотому глобусу», а роль финансиста Эллиота в фильме Вуди Аллена «Ханна и её сестры» (1986) принесла ему долгожданный «Оскар», правда, за роль второго плана.

В 1990-е годы карьера Кейна вновь пошла в гору. Он был удостоен третьего «Золотого глобуса» за фильм «Голосок» (1998), второго «Оскара» за роль в фильме «Правила виноделов» (1999), и вновь номинирован на эту премию за главную роль в драме «Тихий американец» (2002). В 2000 г. был посвящен королевой Елизаветой II в рыцари. Среди последних киноработ Кейна − отец Остина Пауэрса в третьем фильме про забавного шпиона, отставной карикатурист в фантастическом фильме «Дитя человеческое», дворецкий Бэтмена в блокбастере «Бэтмен: Начало» и пожилой инженер иллюзий в другом фильме Кристофера Нолана «Престиж».

За пределами съемочной площадки актёр использует свое настоящее имя. В одной из своих книг Кейн пишет, что псевдоним был выбран им совершенно случайно. От него потребовали назвать псевдоним во время разговора с агентом в телефонной будке. Обернувшись, он увидел афишу фильма «Мятеж Кейна» и машинально назвал это имя.
По признанию самого Кейна, его собственная любимая роль в кино − дядюшка Скрудж в вольной экранизации диккенсовского рассказа «Рождественский гимн маппет-шоу» (1992).

1964 — «Зулусы» / Zulu
1965 — «Досье «Ипкресс» / The Ipcress File
1966 — «Альфи» / Alfie (номинация на «Оскар»)
1966 — «Ящик Пандоры» / The Wrong Box
1969 — «Ограбление по-итальянски» / The Italian Job
1972 — «Игра навылет» / Sleuth (номинация на «Оскар»)
1974 — «Чёрная ветряная мельница» / The Black Windmill
1975 — «Романтическая англичанка» / The Romantic Englishwoman
1975 — «Человек, который хотел стать королём» / The Man Who Would Be King
1976 — «Гарри и Уолтер едут в Нью-Йорк» / Harry And Walter Go To New York
1976 — «Орёл приземлился» / The Eagle Has Landed
1977 — «Мост слишком далеко» / A Bridge Too Far
1979 — «Приключение «Посейдона» 2» / Beyond the Poseidon Adventure
1980 — «Бритва» / Dressed to Kill
1980 — «Остров» / The Island
1981 — «Бегство к победе» / Victory
1982 — «Смертельная ловушка» / Deathtrap
1983 — «Человек-загадка» / The Jigsaw Man
1983 — «Воспитание Риты» / Educating Rita (номинация на «Оскар», BAFTA, «Золотой глобус»)
1983 — «Без границ» / The Honorary Consul
1984 — «Во всём виноват Рио» / Blame It On Rio
1985 — «Вода» / Water
1986 — «Ханна и её сёстры» / Hannah and Her Sisters («Оскар»)
1986 — «Мона Лиза» / Mona Lisa
1986 — «Улица полумесяца» / Half Moon Street
1986 — «Стукач» / The Whistle Blower
1987 — «Четвёртый протокол» / The Fourth Protocol
1987 — «Челюсти 4: Месть» / Jaws: The Revenge
1987 — «Сдавайтесь» / Surrender
1988 — «Без единой улики» / Without a Clue
1988 — «Отпетые мошенники» / Dirty Rotten Scoundrels («Золотой глобус»)
1990 — «Удар по системе» / A Shock To The System
1990 — «Господин Судьба» / Mr.Destiny
1990 — «В яблочко» / Bullseye!
1992 — «Не шуметь» / Noises Off
1992 — «Синий лёд» / Blue Ice
1992 — «Рождественская песнь маппет-шоу» / The Muppet Christmas Carol
1994 — «Вторая мировая война: Когда львы рычали» / World War II: When Lions Roared
1994 — «В смертельной зоне» / On Deadly Ground
1996 — «Кровь и вино» / Blood and Wine
1998 — «Голосок» / Little Voice («Золотой глобус»)
1999 — «Правила виноделов» / The Cider House Rules («Оскар»)
2000 — «Перо маркиза де Сада» / Quills
2000 — «Билли-фингал» / Shiner
2002 — «Остин Пауэрс: Голдмембер» / Austin Powers in Goldmember
2002 — «Тихий американец» / The Quiet American (номинация на «Оскар»)
2003 — «Подержанные львы» / Secondhand Lions
2003 — «Приговор» / The Statement
2005 — «Бэтмен: Начало» / Batman Begins
2006 — «Дитя человеческое» / Children of Men
2006 — «Престиж» / The Prestige
2007 — «Сыщик» / Sleuth — Эндрю Уайк
2008 — «Тёмный рыцарь» / The Dark Knight