Després d’intervenir en diversos curtmetratges, es convertí en una estrella local gràcies a la telenovel·la gallega Mareas vivas (1998), i començà a destacar en el cinema a la pel·lícula Flores de otro mundo (1999), d’Icíar Bollaín, amb qui ha treballat sovint. Després accedí a papers de protagonista; ha interpretat, entre d’altres, Los lunes al sol (2002, premi Goya al millor actor de repartiment), Te doy mis ojos (2003, premi Goya al millor actor), La flaqueza del bolchevique (2003), La vida que te espera (2004), Inconscientes (2004), Miami Vice (2006, el seu paper parlat en anglès en una superproducció de Hollywood), Casual Day (2007), Celda 211 (2009, un altre premi Goya al millor actor), También la lluvia (2010), Mientras duermes (2011), El desconocido (2015) i Quien a hierro mata (2019).
Conegut també pel seu activisme polític —donà suport a la Plataforma Nunca Máis i ha estat en llistes electorals del BNG—, lidera el grup musical Di Elas i forma part del duet còmic The Magical Brothers.