Révélé à 16 ans par Bombi Bitt och Jag, une série télévisée dans laquelle il tient le rôle principal, le Suédois Stellan Skarsgard rejoint en 1972 le Théâtre Royal de Stockholm. Il en devient un des piliers, travaillant, durant quinze ans, sous la direction des plus grands metteurs en scènes scandinaves, parmi lesquels Ingmar Bergman.

Stellan Skarsgard apparaît pour la première fois au cinéma en 1972 dans Firmafesten de Jan Halldoff, et devient bientôt l'un des acteurs les plus populaires de son pays, décrochant en 1982 le Guldbagge - équivalent suédois des César - pour son rôle dans L' Assassin candide, qui lui vaut également le Prix d'interprétation au Festival de Berlin. Remarqué par les cinéastes américains, il apparaît dans L'Insoutenable Légèreté de l'être de Philip Kaufman et A la poursuite d'Octobre rouge de John McTiernan.

En 1996, Stellan Skarsgard incarne un ouvrier paralysé, pour lequel la jeune Emily Watson est prête à se sacrifier, dans Breaking the waves de Lars von Trier. Grand Prix du jury au festival de Cannes, le mélo danois donne un coup d'accélérateur à la carrière internationale du comédien. On le retrouve alors à l'affiche de films hollywoodiens, des plus intimistes (Will Hunting de Gus Van Sant) aux plus spectaculaires (Ronin, de Frankenheimer, Le Roi Arthur). Steven Spielberg choisit l'acteur au regard tantôt inquiétant tantôt bienveillant pour incarner un homme d'affaires abolitionniste dans Amistad.

Parallèlement à sa carrière américaine, Stellan Skarsgard reste fidèle au cinéma scandinave. Flic ambigu dans Insomnia du Norvégien Erik Skjoldbjaerg - qui donnera lieu à un remake avec Al Pacino -, il retrouve Lars von Trier pour Dancer in the Dark, et l'aventure Dogville en 2003. L'acteur prend part à des projets aussi singuliers que Time Code, film expérimental du Britannique Mike Figgis, et Signs & Wonders de Jonathan Nossiter, dans lequel il émeut en père complice et superstitieux. En reprenant en 2003 le rôle du Père Merrin dans le prequel de L' Exorciste, l'acteur suédois marche sur les pas de son glorieux aîné, Max von Sydow.

Il multiplie par la suite les rôles épiques : il interprète le roi Hrothgar dans Beowulf, la légende viking en 2005, puis rejoint le casting royal de Pirates des Caraïbes en 2006 et 2007. Il fait, par la suite, une incursion dans l'univers médiéval pour les besoins de Arn, chevalier du temple de Peter Flinth. Son allure ambiguë lui permet de décrocher le rôle de Goya aux côtés de Natalie Portman dans un biopic imaginé par Milos Forman (Les Fantômes de Goya). Il donne aussi de la voix dans Mamma Mia !, la comédie musicale inspirée des tubes du célèbre groupe suédois.

En 2011, il renoue avec le cinéma scandinave pour Un chic type, dans lequel il campe un ancien détenu partagé entre son désir de réinsertion et de vengeance, et pour Les Révoltés de l'île du Diable, où il se glisse cette foi-ci dans la peau d'un gouverneur en charge d'un établissement carcéral pour mineurs. Il tourne ensuite devant la caméra de Kenneth Branagh, qui adapte le super-héros nordique Thor (il y incarne un scientifique, rôle qu'il reprend dans Avengers). Après cette super-production Marvel, il retrouve Lars von Trier pour la quatrième fois avec l’envoûtant Melancholia.

Toujours cette même année, décidément très chargée pour le comédien, Skarsgard rejoint le casting de Millenium : Les hommes qui n’aimaient pas les femmes. Dans l'adaptation américaine de ce polar venant du froid, revisitée par David Fincher, il tient l'un des rôles centraux, celui du mystérieux Martin Vanger.

A l'affiche des sulfureux Nymphomaniac 1 et 2, Stellan Skarsgard campe le personnage principal de Refroidis, un justicier anonyme cherchant à venger la mort de son fils. Parallèlement, il poursuit son parcours chez Marvel via le rôle très secondaire d'Erik Selvig dans Thor: Le monde des ténèbres et Avengers: L'ère d'Ultron. Après avoir à nouveau tourné sous la direction de Branagh dans Cendrillon (2015) et pris part au film d'espionnage Un traître idéal (2016), l'acteur joue un écrivain hanté par un amour passé dans Retour à Montauk (2017) réalisé par l'Allemand Volker Schlöndorff.

Alternant grosses productions (Mamma Mia! Here We Go Again, Thor: Love and Thunder et les deux Dune, où il campe le terrifiant Baron Vladimir Harkonnen) et films plus intimistes (L'Eté où mon père disparut, Hope, L'Oiseau bariolé), Stellan se fait également remarquer du côté des séries, comme en témoignent ses prestations dans Chernobyl (2019) et Andor (2022).