Né à Northport dans l’état de New York, Chris Messina entame sa carrière sur les planches dans une production d’Off-Broadway. Il fait ses premières armes à la télévision, dans les séries d’investigation New-York District, New York 911 et Médium puis effectue une apparition au cinéma dans Vous avez un message. Son expérience sur le petit écran semble lui servir puisqu’il décroche un rôle récurrent dans l’ultime saison de Six Feet Under, en tant que petit ami honnête de Lauren Ambrose, la cadette de la famille Fisher. 

Acteur discret mais actif, c’est en 2008 que Chris Messina est davantage remarqué du grand public grâce à Woody Allen dans Vicky Cristina Barcelona où il joue le fiancé transi de Rebecca Hall. Par la suite, il enchaîne plusieurs rom-com telles que Le Témoin amoureux et Julie et Julia, tout en effectuant des incursions dans le cinéma indépendant avec Away we go (2009), Elle s’appellait Ruby (2012) et Palo Alto (2014). Abonné aux seconds rôles, le comédien trouve également sa place dans le drame historique Argo (2012) qui rafle la statuette du meilleur film lors de la 85ème cérémonie des Oscars.

En 2011, Chris Messina tape enfin dans l’œil des fans en participant à Damages où il incarne un soldat traumatisé ayant des troubles du comportement. Il poursuit avec les séries The Newsroom (2012 - 2014) et The Mindy Project (2012 - 2015). Dans cette dernière, le personnage de Danny Castellano lui permet de révéler son potentiel comique, notamment durant une scène de strip-tease qui ne laisse pas Mindy Kaling indifférente. En 2015, on le retrouve en ex-mari de Jennifer Aniston dans Cake et en protégé d'Al Pacino dans Manglehorn. Parallèlement, il passe pour la première fois à la réalisation avec Alex of Venice, un drame indépendant qui est présenté au festival de Deauville.

A l'affiche du film de gangsters de Ben Affleck Live by Night, Chris Messina campe en 2018 un inspecteur de police dans la mini-série Sharp Objects. Dans la foulée, il est choisi pour se glisser dans la peau de Victor Zsasz, l'un des méchants du spin-off de Suicide Squad Birds of Prey et la fantabuleuse histoire de Harley Quinn.