Nace en el seno de una importante familia de actores (es hijo de la actriz Pilar Bardem y sobrino del director Juan Antonio Bardem) y, aunque de niño se muestra interesado por el Rugby, pronto comienza a sentirse atraído por seguir los pasos de sus familiares. Su primer pequeño papel tiene lugar en 1974 en la serie de televisión ‘El pícaro’ y en 1980, a la edad de 11 años, realiza una aparición como extra en el filme protagonizado por su madre ‘El poderoso influjo de la luna’.

Aunque realiza diversos trabajos en televisión, no es hasta 1990 cuando obtiene su primer papel importante al ser escogido por Bigas Luna para participar en el filme ‘Las edades de Lulú’. Un año más tarde trabaja por primera vez junto a Almodóvar en ‘Tacones Lejanos’, gracias a la cual es elegido por el cineasta para protagonizar ‘Jamón, jamón’ junto a Penélope Cruz, que años más tarde se convertiría en su esposa. Posteriormente trabaja en multitud de títulos que le convierten en uno de los actores españoles más reconocidos, muchos de ellos bajo las órdenes del director manchego. Ejemplo de ello son ‘La teta i la lluna’, ‘Boca a boca’, ‘Más que amor, frenesí’, ‘Carne trémula’, ‘Perdita Durango’, ‘Entre las piernas’, ‘Los lunes al sol’ o 'Mar adentro’.

Su primer papel en Hollywood llega en 2002 de la mano del actor John Malkovich en su primer trabajo como director en ‘Pasos de baile’. Su papel en la película de Alejandro Amenábar ‘Mar Adentro’ le proporciona una gran fama mundial y un gran reconocimiento por parte de la crítica internacional. Esta fama se consolida gracias a su papel exitosos filmes de Hollywood, como ‘No es país para viejos (No Country For Old Men)’ –papel por el que obtiene el Oscar a Mejor actor de reparto-, ‘El amor en los tiempos del cólera’, ‘Vicky, Cristina, Barcelona’ o ‘Biutiful’.