Fils de la comédienne Pilar Bardem et neveu du réalisateur Juan Antonio Bardem, il fait de figuration pour financer des études d'arts plastiques. Bigas Luna le fait débuter dans Les Amours de Lulu avant de lui confier successivement les rôles vedettes du toréador de Jambon, jambon en 1992 aux côtés de Penélope Cruz, et du play-boy homme d'affaires de Macho, deux rôles qui feront du comédien une figure incontournable du cinéma espagnol. Récompensé par le Goya du meilleur acteur en 1995 pour Bouche à Bouche, Pedro Almodovar lui offre la consécration à sa manière en lui donnant le rôle d'un flic paraplégique dans En chair et en os.

Il entame alors une carrière américaine, sans délaisser son pays d'origine. Après l'interprétation de l'écrivain cubain Reinaldo Arenas dans Avant la nuit, qui lui vaut une première nomination aux Oscars en 2001, il se distingue en 2005 dans Mar Adentro d'Alejandro Amenabar. Dans cette histoire basée sur des faits réels, il interprète le rôle de Ramón Sampedro, un tétraplégique qui s'est illustré en revendiquant jusqu'à sa mort le droit de mourir pour lui et les autres tétraplégiques. Il joue ensuite dans The Dancer upstairs de John Malkovich et Collateral de Michael Mann, puis incarne un inquisiteur dans Les Fantômes de Goya et un armateur amoureux dans L'Amour aux temps du choléra.

En 2008, il incarne le personnage d'Anton Chigurh, le tueur froid et méthodique balayant tout sur son passage du film de Joel et Ethan Coen No country for old men. Ce rôle lui vaut l'Oscar du meilleur acteur dans un second rôle 2007, ainsi que le Golden Globe 2007 du meilleur acteur dans un second rôle et le BAFTA.

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