Esordisce nel cinema all'età di dodici anni come protagonista del film di Castellano e Pipolo Ci hai rotto papà (1992). A partire dal 1999 inizia una folgorante carriera che lo vede in film diretti da registi italiani tra i più apprezzati: da Scola in Concorrenza Sleale a Emanuele Crialese nel premiatissimo Respiro, da Gianluca Maria Tavarelli in Liberi, a Giovanni Veronesi in Che ne sarà di noi. È tra i protagonisti di Romanzo criminale di Michele Placido. Lavora con il premio Oscar Gabriele Salvatores in Quo vad...visualizza tuttodis, baby? e a seguire in Come Dio comanda, dal romanzo di Niccolò Ammanniti; con Paolo Virzì in N e Tutta la vita davanti, con Daniele Vicari ne Il passato è una terra straniera. Con film Mio fratello è figlio unico di Daniele Luchetti vince il David di Donatello, il Globo d'Oro e il Ciak d'oro come migliore attore protagonista. Molte anche le partecipazioni in film per la tv. Nel maggio 2010 alla 63° edizione del Festival di Cannes, è stato premiato come migliore attore, ex aequo con Xavier Bardem, per la sua interpretazione nel film La nostra vita di Daniele Luchetti, unico film italiano in concorso, e ha dedicato la Palma d'oro "all'Italia e agli italiani che fanno di tutto per rendere il Paese migliore, nonostante la loro classe dirigente".
