Fils du comédien Jean-Pierre Cassel, il est le frère de Mathias, leader du groupe de hip-hop Assassin, et le demi-frère de Cécile, elle aussi actrice. Il commence son apprentissage dans le cirque puis à l'Actor's Institute de New York. Revenu à Paris, il intègre la troupe de Jean-Louis Barrault. Son premier rôle au cinéma lui est offert par Philippe de Broca, dans Les Clés du paradis (1991).
Quatre ans plus tard, c'est le film coup de poing de son ami Mathieu Kassovitz, La Haine, qui le révèle au grand public. Il obtient grâce à sa prestation deux nominations pour le César du Meilleur espoir masculin et pour celui du Meilleur acteur. Sur le tournage de L'Appartement (1996), il rencontre sa future épouse, l'actrice italienne Monica Bellucci, avec laquelle il aura deux enfants. En 1997, ils jouent tous les deux dans un autre film choc, Doberman, de Jan Kounen. Ils tourneront ensemble dans dix films au total.
Il joue ensuite dans de grosses productions françaises, Le Pacte des Loups et Les Rivières pourpres, mais aussi dans un film d'auteur, Sur mes lèvres, de Jacques Audiard, où son rôle de composition lui permet d'être à nouveau nommé aux Césars. Puis il franchit l'Atlantique pour jouer dans Ocean's Twelve et Ocean's Thirteen. Dans le deuxième volet de la trilogie, il démontre notamment ses talents pour la capoeira, qu'il pratique régulièrement. Il se fait également doubleur de films anglo-saxons en version française et de films d'animation comme L'Age de glace (2002).
En 2009, sa prestation dans le dyptique sur Mesrine lui vaut de décrocher enfin le César du meilleur acteur. Alternant films d'action et drames, il tient un rôle dans Black Swan (2011), avec Natalie Portman et A Dangerous Method (2011), de David Cronenberg.
En 2013, il est à l'affiche de Trance, de Danny Boyle, et de La Belle et la Bête, de Christophe Gans, où il incarne la Bête face à Léa Seydoux. En 2015, il est au casting de Mon Roi, d'Emmanuelle Bercot, sélectionné en compétition officielle au Festival de Cannes, puis donne la réplique à François Cluzet dans le remake Un moment d'égarement, qui marque ses retrouvailles avec Jean-François Richet, le réalisateur du diptyque sur Mesrine.
L'année suivante, il retourne sur la croisette à l'occasion de Juste la Fin du Monde, de Xavier Dolan, sélectionné en compétition officielle. Il fait également ses premiers pas dans le cinquième épisode de la saga Jason Bourne, avec Matt Damon.
Filmographie :
2016 : O Grande Circo Mistico, de Carlos Diegues
2016 : Juste la Fin du Monde, de Xavier Dolan
2016 : Jason Bourne, de Paul Greengrass
2015 : Enfant 44, de Daniel Espinosa
2015 : Un moment d'égarement, de Jean-François Richet
2015 : Tale of Tales, de Matteo Garrone
2015 : Mon roi, de Maïwenn
2015 : Partisan, d'Ariel Kleiman
2014 : La Belle et la Bête, de Christophe Gans
2013 : Trance, de Danny Boyle
2011 : Le Moine, de Dominik Moll
2011 : Platane (Série TV)
2011 : A Dangerous Method, de David Cronenberg
2010 : Notre jour viendra, de Romain Gavras
2010 : Black Swan, de Darren Aronofsky
2008 : L'Ennemi public no 1, de Jean-François Richet
2009 : À Deriva, d'Heitor Dhalia
2008 : L'Instinct de mort, de Jean-François Richet
2007 : Ocean's Thirteen, de Steven Soderbergh
2007 : Sa Majesté Minor, de Jean-Jacques Annaud
2007 : Les Promesses de l'ombre, de David Cronenberg
2006 : Dérapage, de Mikael Håfström
2005 : Sheitan, de Kim Chapiron
2004 : Agents secrets, de Frédéric Schoendoerffer
2004 : Ocean's Twelve, de Steven Soderbergh
2002 : Irréversible, de Gaspar Noé
2002 : Blueberry, l'expérience secrète, de Jan Kounen
2001 : Le Pacte des loups, de Christophe Gans
2001 : Sur mes lèvres, de Jacques Audiard
2001 : The Reckoning, de Paul McGuigan
2000 : Les Rivières pourpres, de Mathieu Kassovitz
1999 : Méditerranées, de Philippe Bérenger
1999 : Jeanne d'Arc, de Luc Besson
1999 : Hôtel Paradiso, une maison sérieuse, d'Adrian Edmondson
1999 : Nadia, de Jez Butterworth
1998 : Elizabeth, de Shekhar Kapur
1997 : Dobermann, de Jan Kounen
1997 : Le Plaisir (et ses petits tracas), de Nicolas Boukhrief
1997 : Embrasse-moi Pasqualino !, de Carmine Amoroso
1996 : L'Appartement, de Gilles Mimouni
1996 : L'Élève, d'Olivier Schatzky
1995 : La Haine, de Mathieu Kassovitz
1995 : Aventure dans le Grand Nord (Série TV)
1994 : Le juge est une femme (Série TV)
1994 : Ainsi soient-elles, de Lisa Alessandrin et Patrick Alessandrin
1994 : Jefferson à Paris, de James Ivory
1994 : Adultère (mode d'emploi), de Christine Pascal
1993 : Dose mortelle, de Joyce Buñuel (Téléfilm)
1992 : Amour et chocolat, de Josée Dayan
1992 : Warburg, le banquier des princes (Série TV)
1992 : Métisse, de Mathieu Kassovitz
1991 : Les Clés du paradis, de Philippe de Broca
1991 : Les Dessous de la passion, de Jean Marboeuf (Téléfilm)
1988 : Les cigognes n'en font qu'à leur tête, de Didier Kaminka
1988 : La Belle Anglaise de Jacques Besnard (Série TV)
Récompenses :
2009 : César du meilleur acteur pour Mesrine (L'Instinct de mort et L'Ennemi Public no 1)
2009 : Prix Lumière du meilleur acteur pour Mesrine (L'Instinct de mort et L'Ennemi Public no 1)
2009 : Globe de cristal pour Mesrine (L'Instinct de mort et L'Ennemi Public no 1)
2009 : Étoile d'or du premier rôle masculin français pour L'Instinct de mort et L'Ennemi public n°1
2008 : Prix du meilleur acteur pour Mesrine (L'Instinct de mort et L'Ennemi Public no 1) au Festival international du film de Tōkyō
