È considerato un maestro dell'animazione a passo uno, tecnica con la quale ha inserito creature fantastiche e mostruose all'interno di film girati con attori in carne e ossa.
Harryhausen preferiva non paragonare il proprio lavoro nei film in live action con i film di animazione di Tim Burton e Nick Park, che lui vede semplicemente come “film di pupazzi”.[senza fonte]Harryhausen fu capace, insieme ad altri animatori, di inserire realmente (e realisticamente) l'animazione a passo uno all'interno dei film in live action. I personaggi da loro creati interagiscono con il mondo circostante in cui l'azione si svolge, e ne fanno davvero parte.[considerazioni personali?]
Prima dell'avvento dei computer, nel cinema si usavano tecniche diverse per realizzare gli effetti speciali di animazione. Una delle tecniche più utilizzate era l'animazione a passo uno, che divenne famosa soprattutto a partire da King Kong (1933). Il lavoro di Willis O'Brien per Kong ispirò Harryhausen ad occuparsi di animazione.
Grazie ad un'animazione di prova che aveva realizzato per un progetto poi abortito chiamato Evolution (in segno di omaggio al Creation di O'Brien), che mostrava due dinosauri in lotta, Harryhausen fu assunto presso la Paramount, che lo fece lavorare nei cortometraggi a tecnica mista diretti da George Pal.
Durante la guerra fece parte della Army Motion Picture Unit, e grazie a questo incarico entrò in possesso di svariate migliaia di metri di pellicola, che utilizzò per realizzare una serie di cortometraggi con protagonista Mamma Oca. Questi cortometraggi gli fecero ottenere un incarico alla Warner per il suo primo film importante, Il re dell'Africa (1949), e in seguito ne Il risveglio del dinosauro (1953), che secondo quanto ammesso dagli stessi Tomouki Tanaka e Ishirō Honda fu fonte di ispirazione per il primo film di Godzilla (1954). Fu in questi due film che Harryhausen utilizzò per la prima volta lo split-screen, una tecnica che in seguito avrebbe chiamato Dynamation e che gli permetteva di dare l'impressione che le sue miniature stessero interagendo direttamente con gli attori.
Nel 1949 Harryhausen creò un alieno estremamente somigliante al marziano immaginato da H.G. Wells ne La guerra dei mondi, ma il progetto che avrebbe dovuto adattare il romanzo per il grande schermo non fu mai portato a termine.
Per il fatto di voler lavorare sempre da solo, Harryhausen ha spesso bisogno di molto tempo per realizzare i suoi effetti speciali. Il suo film successivo a Sinbad fu infatti del 1960, I viaggi di Gulliver. Nel 1961 partecipò all'adattamento cinematografico del romanzo di VerneL'isola misteriosa, e due anni dopo realizzò il suo capolavoro, Gli argonauti, che tra le tante scene divenute classiche presenta una lunga e sorprendente battaglia tra gli attori e un gruppo di scheletri. Questa singola scena necessitò da sola oltre quattro mesi per essere completata.
Nonostante Gli argonauti sia oggi considerato il miglior film di Harryhausen, all'epoca della sua uscita non ottenne un grande successo tra il pubblico. Harryhausen stava comunque già lavorando a Base Luna chiama Terra, ispirato ad un romanzo di H.G. Wells. In seguito collaborò con la Hammer, realizzando i dinosauri per Un milione di anni fa (1966) e quindi con la Warner per un altro film di dinosauri, La vendetta di Gwangi (1969), che era in realtà un suo progetto personale che stava cercando di realizzare da diversi anni.
Il pionieristico lavoro di Ray Harryhausen non fu riconosciuto dalla comunità cinematografica fino al 1992, quando gli fu assegnato il Premio Gordon E. Sawyer dall'Academy of Motion Picture Arts and Sciences. Il premio riconosce “una persona che ha fornito al cinema un contributo tecnico di livello tale da dare lustro all'intera industria cinematografica”.
Nel 2001 il film della PixarMonsters & Co. ha reso omaggio al lavoro di Harryhausen mostrando in una scena i protagonisti del film all'interno di un ristorante giapponese chiamato “Harryhausen's”.
Nel commento contenuto nel DVD del suo film Il Signore degli Anelli - La Compagnia dell'Anello, il regista Peter Jackson ha dichiarato di aver voluto rendere omaggio ad Harryhausen nella scena in cui un gigantesco troll attacca la Compagnia, facendo muovere la creatura come si muovevano quelle di Harryhausen.
Leo Ortolani cita Harryhausen nel fumetto "Cinzia la Barbara", una parodia di Conan il Barbaro. Durante una battaglia contro scheletri viventi lancia una spada contro quella che è la fonte degli scheletri; nella vignetta successiva si vede Harryhausen trafitto da una spada.
Il film Pacific Rim (2013) di Guillermo del Toro è dedicato alla memoria di Harryhausen, come citato tra i titoli di coda: "Dedicated to the memory of monster masters Ray Harryhausen and Ishiro Honda"/"Dedicato alla memoria dei maestri dei mostri Ray Harryhausen e Ishiro Honda".
Nel 2007 la band inglese The Hoosiers pubblica un singolo intitolato "Worried About Ray" che è dichiaratamente ispirato alle tecniche pionieristiche di Ray Harryhausen.