Començà els anys vuitanta actuant en papers secundaris de produccions amb les quals es feu un nom en el cinema francès com a intèrpret de personatges seductors i complexos, especialment a partir de Comment je me suis disputé... (ma vie sexuelle) (1996), d’A. Despléchine, amb el qual guanyà un premi César a l’actor revelació. Consolidà la seva carrera amb, entre d’altres, Fin août, début septembre (1998), d’O. Assayas; Alice et Martin (1998), d’A. Téchiné; Trois ponts sur la rivière (1999), de J-C. Biette; L’affaire Marcorelle (2000), de S. Le Péron; Rois et reine (2004, premi César al millor actor), d’A. Déspléchine; Le scaphandre et le papillon (2007, novament premi César), de J. Schnabel; La question humaine (2007), de N. Klotz; Quantum of Solace (2008), de P. Golding; Les herbes folles (2009), d’A. Resnais; Les derniers jours du monde (2009), d’A. i J-M. Larrieu i Les aventures extraordinaires d’Adèle Blanc-Sec (2010), de L. Besson.
El 1990 s’inicià en la realització amb el curtmetratge Sans rires, al qual seguiren Mange ta soupe (1997), Le stade de Wimbledon (2001, adaptació de la novel·la de D. del Giudice), la sàtira política La Chose publique (2003) i Tournée (2010), que també protagonitzà i que rebé el premi al millor director del festival de Canes.