Djimon Hounsou s'établit à Paris à 13 ans et devient à 22 ans mannequin vedette de Thierry Mugler. Il collabore ainsi à plusieurs collections et à un album du couturier, puis apparaît dans trois vidéos réalisées par David Fincher : Roll With It de Steve Winwood, Express Yourself de Madonna et Straight Up de Paula Abdul. Il pose également pour le livre de photos d'Herbert Ritts Men and women et participe à la vidéo de Janet Jackson Love Will Never Do Without You.

En 1990, Djimon Hounsou se rend à Los Angeles pour poursuivre une carrière d'acteur. Deux ans plus tard, il tient un petit rôle dans le thriller Obsession fatale de Jonathan Kaplan, suivi d'une participation à la grosse production de science-fiction Stargate, la porte des étoiles de Roland Emmerich. En 1997, il est la révélation majeure du drame Amistad de Steven Spielberg, où le rôle du chef des esclaves Cinque lui vaut une citation aux Golden Globes.

Son physique bodybuildé et ses origines africaines cantonnent souvent Hounsou aux films d'action et aux rôles d'"indigène". En témoignent ses prestations de combattant, coéquipier de Russell Crowe, dans Gladiator (2000), de détective dans Le Boulet (2002), de soldat soudanais dans Frères du désert (id.), de motard dans Biker boyz (2003) et de chef tribal dans Lara Croft Tomb Raider le berceau de la vie (id.). Jim Sheridan lui permet toutefois de varier son jeu d'acteur en lui confiant le rôle d'un mystérieux artiste peintre, voisin d'une famille irlandaise fraîchement débarquée à New York dans In America (2004).

S'il apparaît dans le Blueberry de Jan Kounen, Djimon Hounsou est néanmoins très courtisé par l'industrie hollywoodienne. Il apparait ainsi de plus en plus aux génériques de très grosses productions, telles le film de science-fiction The Island de Michael Bay (2005), le film fantastique Constantine (id.), l'épopée d'héroic-fantasy Eragon (2006) ou encore le drame Blood Diamond (2007), dont il tient l'un des rôles principaux aux côtés de Leonardo DiCaprio. En 2008, il est à l'affiche de Never Back Down, un film où les sports de combat sont à l'honneur, tandis qu'il participe, l'année suivante, au film de SF Push, aux cotés du très demandé Chris Evans, le futur héros de Captain America : First Avenger.

Toujours dans le registre de l'action, il enfile, en 2011, l'équipement des Forces spéciales avec Benoît Magimel et Diane Kruger. Sollicité à l'international, Djimon Hounsou apparaît, via des personnages plus ou moins importants mais jamais centraux, dans plusieurs blockbusters, parfois liés à des franchises très lucratives. Il joue ainsi dans Les Gardiens de la Galaxie, Le Septième fils, Fast & Furious 7, Tarzan, Le Roi Arthur : La Légende d'Excalibur, Captain Marvel, Shazam!, Charlie's Angels et The King's Man: Première mission. A noter également son travail de doublage sur Dragons 2 et Aquaman.