C'est durant son année de terminale que Benoît Poelvoorde rencontre Rémy Belvaux et André Bonzel, deux amis avec qui il réalisera un premier court métrage intitulé Pas de C4 pour Daniel Daniel. Mais c'est avec le caustique C'est arrivé près de chez vous et son rôle de Ben le tueur que le comédien se fait connaître du grand public. Suit un passage au théâtre (Modèle déposé) et sur la chaîne Canal Plus, où ses chroniques Les Carnets de Monsieur Manatane remportent un franc succès.

Dans un registre plus grand public, Benoît Poelvoorde mène en 1996 Les Randonneurs de Philippe Harel, une réussite au box-office. L'acteur enchaîne les comédies avec une prédisposition pour les rôles de grands cyniques, bêtes et méchants, comme en témoignent ses prestations dans Les Convoyeurs attendent (1998) et Les Portes de la gloire (2001). En 2001, il retrouve Philippe Harel pour enfourner Le Vélo de Ghislain Lambert, avant de donner la réplique à Gérard Lanvin dans Le Boulet (2002).

Très populaire, Benoît Poelvoorde reçoit en 2002 le prix Jean Gabin, récompense attribuée chaque année à un espoir du cinéma français. Un espoir concrétisé en 2004 avec le succès Podium, dans lequel, sosie mégalo de Claude François, le comédien démontre l'étendue de son talent comique et dramatique.

La même année, l'acteur belge connaît une nouvelle consécration en rejoignant le Jury du 57ème Festival de Cannes présidé par Quentin Tarantino. À l’aise dans les projets décalés, il s'illustre dans Atomik Circus (2004), Narco (id.) et Les Deux mondes (2007). Parallèlement, Benoît s'essaie à un registre plus dramatique avec le thriller Entre ses mains (2005) en jouant un inquiétant vétérinaire, puis intègre le quatuor masculin du film choral de Nicole Garcia, Selon Charlie (2006).

Il revient en 2008 à la comédie, en interprétant Brutus, fils de César, dans la superproduction Astérix aux Jeux Olympiques. Il rejoue aussi sous la direction de Philippe Harel, en reprenant son rôle de guide touristique dans Les Randonneurs à Saint-Tropez, suite du film de 1997. La même année, il apparaît très rapidement dans la comédie noire Louise Michel, aux côtés de Yolande Moreau. En 2009, il continue d'amuser comme personne dans La Guerre des miss de Patrice Leconte.

Renouant avec la comédie noire, il s'illustre dans le rôle d'un écrivain suicidaire et désabusé pour Kill Me Please d'Olias Barco. Parallèlement, il interprète Jean-René, un chocolatier "hyperémotif" et délicat dont s'entiche une jeune blonde aussi mal à l'aise que lui, campée par Isabelle Carré (dans Les Emotifs anonymes de Jean-Pierre Améris). En 2011, le comédien endosse l'uniforme d'un douanier belge bourru et francophobe partageant l'affiche avec Dany Boon dans le (très) lucratif Rien à déclarer.

Cette même année, il retrouve Anne Fontaine dans la comédie Mon Pire Cauchemar. En 2012, il rejoint de nouveau le duo déjanté de réalisateurs issu du Groland, Benoît Delépine et Gustave Kervern, dans Le Grand soir où il joue Not, Punk-à-chien et grand frère d'Albert Dupontel. C'est avec un autre duo tout aussi barré, Nicolas & Bruno, qu'il tourne dans Le Grand Méchant Loup aux côtés de Kad Merad et Fred Testot. Il est aussi la tête d'affiche du film de Fabienne Godet, l'émouvant Une place sur la terre.

Par la suite, Benoît Poelvoorde interprète un manager de football dans la comédie Les Rayures du zèbre avant de revenir à un genre plus sombre avec 3 coeurs, le thriller dramatique de Benoît Jacquot où il incarne un homme dont le cœur balance entre deux sœurs. Peu après, il entre dans l'univers de Xavier Beauvois à l'occasion de La Rançon de la Gloire, où il campe un chômeur qui, à l'aide de son acolyte interprété par Roschdy Zem, va voler le cercueil de Charlie Chaplin.

Après quoi, il retrouve Jean-Pierre Améris à l'occasion du tournage du film Une Famille à louer, une comédie très stylisée, proche du conte, où il interprète un homme un peu sombre et pessimiste mais qui décide de se prendre en main et de fonder une famille. Il sera bientôt à l'affiche du Tout Nouveau Testament, le nouveau film de Jaco Van Dormael où il incarne ni plus ni moins que "Dieu". Il retrouve également Gustav Kervern et Benoît Delépine à l'occasion de Saint Amour aux côtés de Gérard Depardieu.

Tournant beaucoup, Benoît Poelvoorde varie les projets. Même s'il privilégie le registre de la comédie (Le Grand Bain, Au poste !, Raoul Taburin a un secret, Venise n'est pas en Italie, Mystère à Saint-Tropez, Adieu Paris, Fumer fait tousser), l'acteur joue dans deux thrillers glauques signés Fabrice Du Welz, Adoration et Inexorable, et prend part aux drames Deux fils de Félix Moati, Les Volets verts de Jean Becker (pour lequel il retrouve à nouveau Depardieu) et Couleurs de l’incendie de Clovis Cornillac.