Fill de l’actiu Pilar Bardem i nebot del realitzador Juan Antonio Bardem, debutà en sèries de televisió. Aconseguí la popularitat amb pel·lícules de J.J. Bigas Luna (Las edades de Lulú, 1990; Jamón, jamón, 1992, premi Sant Jordi al millor actor; Huevos de oro, 1993; La teta i la lluna, 1994), P. Almodóvar (Tacones lejanos, 1991; Carne trémula, 1997), M. Barroso (Éxtasis, 1996; Los lobos de Washington, 1999) i M. Gómez Pereira (Boca a boca, 1995, premi Goya; El amor perjudica seriamente la salud, 1996; Entre las piernas, 1999).
Ha interpretat també Días contados (1994, premi Goya), d’I. Uribe; Perdita Durango (1997), d’Á. de la Iglesia; Segunda piel (1999), de G. Vega; Before night falls (2000), de J. Schnabel, copa Volpi al millor actor en la Mostra de Venècia; The Dancer Upstairs (2002), de J. Malkovich; Los lunes al sol (2002, premi Goya), de F. León de Aranoa; Collateral (2004), de Michael Mann; Goya’s Gosht de Milos Forman; i Love in the Time of Cholera, de Mike Newell. La seva interpretació en la pel·lícula Mar adentro (2004), d’Alejandro Amenábar, li valgué diversos guardons, entre els quals la copa Volpi al millor actor a la Mostra de Venècia, el premi de l’Acadèmia del Cinema Europeu (2004), el Goya (2005) i el Sant Jordi (2005).
Amb el seu paper d’Anton Chigurh a la pel·lícula No Country for Old Men (2007), de Joel i Ethan Coen, guanyà nombrosos premis internacionals, entre els quals el Globus d’Or al millor actor de repartiment, el BAFTA de la British Academy i l’Oscar com a millor actor secundari. Posteriorment ha interpretat Love in the Time of Cholera (2007), de M. Newell; Vicky Cristina Barcelona (2008), de W. Allen; Biutiful (2010), d’A. González Iñárritu, amb el qual guanyà el premi al millor actor del Festival de Canes (compartit amb E. Germano); Come, reza, ama (2010), de Ryan Murphy; Skyfall (2012), de Sam Mendes; The Counselor (2013), de Ridley Scott; The Gunman (2015), de Pierre Morel; The Last Face (2016), de Sean Penn; Loving Pablo (2017), de Fernando León de Aranoa; Todos lo saben (2018), d’ Asghar Farhadi; i El buen patrón (2021; premi Goya), de Fernando León de Aranoa.
El 2008 li fou atorgat el Premio Nacional de Cinematografía. Està casat amb l’actriu Penélope Cruz.