Començà estudis de dret però es decantà pel teatre. Debutà l'any 1952, i actuà en les companyies de Conchita Montes i de Fernando Fernán Gómez, i malgrat que fou conegut sobretot pel cinema i la televisió no abandonà mai la carrera teatral, de la qual es va retirar l'any 2008. Des del 1950 actuà en sèries de televisió i en telefilms, que li donaren una gran projecció. Destacaren, sobretot, les interpretacions a Estudio 1 (1966-2000), La saga de los Rius (1976-77, per la qual rebé el TP de Oro), La huella del crimen (1985), Brigada Central (1989) i Hospital Central (2002-03).
Bé que havia debutat en el cinema l'any 1954, no fou fins als vuitanta que hi esdevingué un dels actors més cotitzats: actuà, entre d'altres, a les ordres de Francisco Lara Polop (Obsesión, 1975), Pere Costa (El caso Almería, 1984), Pedro Almodóvar (La ley del deseo, 1987; Mujeres al borde de un ataque de nervios, 1988; Todo sobre mi madre, 1999), Eloy de la Iglesia (La estanquera de Vallecas, 1987), Carlos Saura (La noche oscura, 1989), Imanol Uribe (La luna negra, 1989), Gonzalo Suárez (Don Juan en los infiernos, 1991, que li valgué els premis Goya, Sant Jordi i Fotogramas de Plata a la millor interpretació masculina), Fernando Bauluz (Martes de Carnaval, 1991, premiat amb el Fotogramas de Plata), Vicenç Aranda (El amante bilingüe, 1993), Álex de la Iglesia (Acción mutante, 1993), Manuel Gómez Pereira (¿Por qué lo llaman amor cuando quieren decir sexo?, 1993), José Luis García Sánchez (Tirano Banderas, 1993), Pedro Olea (Más allá del jardín, 1996), Eduard Cortés (Otros días vendrán, 2005), i José Luis Garci (El abuelo, 1998; La herida luminosa, 1997, adaptació de l'obra teatral de Josep Maria de Sagarra, i You're the one, 2000).
En el cinema català destaquen especialment les actuacions a Vida de familia (1963), de Josep Lluís Font; La teranyina (1990), d'Antoni Verdaguer; La punyalada (1990, per la qual fou guardonat amb el Premi de Cinematografia de la Generalitat de Catalunya i del qual hom en feu una sèrie televisiva), La febre d'or (1993), de Gonçal Herralde, i el telefilm Jo, el desconegut (2007), de Joan Mallarach, a més de diverses pel·lícules de Ventura Pons (El vicari d'Olot, 1980; Què t'hi jugues, Mari Pili?, 1991, pel qual fou premiat amb el Fotogramas de Plata, i A la deriva, 2009).
Casat amb l'actriu Gemma Cuervo i pare dels actors Cayetana Guillén i Fernando Guillén-Cuervo, a més dels guardons esmentats, el premi Ondas al millor actor de televisió (1967), i els premis a la trajectòria Sant Jordi (2008), Maria Honorífica del Festival de Sitges (2008) i de la Crítica Cinematogràfica (2009). El govern espanyol li atorgà la Medalla d'Or del Mèrit a les Belles Arts (1997) i la Medalla al Mèrit al Treball (2007).