Après avoir étudié l'art dramatique auprès de John Strasberg, Steve Buscemi débute sa carrière en écrivant et en interprétant ses propres pièces de théâtre avec son ami, l'acteur et écrivain Mark Boone Jr.. S'il fait sa première apparition à l'écran en 1984 dans The Way it is aux côtés d'un autre débutant nommé Vincent Gallo, il trouve son premier grand rôle deux ans plus tard dans Un clin d'oeil pour un adieu : il incarne alors un compositeur de musique pop atteint du sida.

En 1990, le film de gangsters Miller's crossing marque le début d'une riche collaboration avec les frères Joel et Ethan Coen, qui offriront au comédien des rôles marquants dans Fargo (1996) et The Big Lebowski (1998). Depuis sa performance de Mr. Pink dans Reservoir dogs (1992) de Tarantino, Steve Buscemi est rompu aux seconds rôles de crapules et d'arnaqueurs : tueur psychopathe dans Les Ailes de l'enfer (1997), il est voleur dans Kansas City (1996) de Robert Altman, truand dans Los Angeles 2013 (id.) de John Carpenter et racketteur dans L'Intrus (2002) de Harold Becker. Acteur emblématique du cinéma indépendant américain, il tourne avec plusieurs de ses fleurons : Jim Jarmusch (Coffee and cigarettes), Tom DiCillo (Ca tourne à Manhattan, Une vraie blonde) ou encore Terry Zwigoff - sa composition de looser mélancolique dans Ghost world lui vaut en 2002 une nomination au Golden Globe du Meilleur second rôle.

Fidèle au cinéma d'auteur, l'artiste ne dédaigne pas pour autant les productions plus commerciales, collaborant à deux reprises avec Michael Bay sur Armageddon (1998) et The Island (2005), ou donnant la réplique à Antonio Banderas dans Desperado (1995), Spy kids 2 - espions en herbe (2003) et Mission 3D Spy kids 3 (2004), tous signés Robert Rodriguez. Le comédien se prête par ailleurs au jeu du doublage, donnant de la voix dans les films d'animation Final fantasy, les créatures de l'esprit (2001), Monstres & Cie (2002) et La Ferme se rebelle (2004).

Parallèlement à sa carrière d'acteur, Steve Buscemi apprécie de passer derrière la caméra, la première fois en 1992 avec un court métrage intitulé What Happened to Pete. Quatre ans plus tard, il se convertit au long, dirigeant Chloë Sevigny dans Happy hour, film dans lequel il jette un regard généreux sur l'Amérique des laissés pour compte. On retrouve cette humanité dans son oeuvre suivante, Animal factory (2001), une plongée âpre dans l'univers carcéral à laquelle participent Willem Dafoe et Edward Furlong. Son troisième long-métrage, Lonesome Jim (2005), se rapproche particulièrement de Happy hour. Dans une approche intimiste, il filme Casey Affleck et Liv Tyler en mini-DV dans la dure province américaine.

Steve continue néanmoins activement son travail de comédien. En 2005, il est à l'affiche du troisième long-métrage de l'acteur John Turturro, Romance and cigarettes, puis Le Petit monde de Charlotte, avant de retourner vers les frères Coen pour un court-métrage réalisé pour le film collectif Paris, je t'aime. Le comédien passe également derrière la caméra pour diriger des épisodes de séries TV à succès comme Les Soprano (2003-2006), Oz (1999-2000) ou 30 Rock (2008). Steve passe aussi devant la caméra dans "Les Soprano" en incarnant Tony Blundetto, un gangster repenti, dans la saison 5 de la série mafieuse.

En 2007, le comédien met en scène un drame puissant intitulé Interview. Remake du film du même nom du cinéaste hollandais Theo van Gogh, Steve Buscemi y dirige Sienna Miller et joue lui-même le rôle principal aux côtés de la jeune femme. Le comédien se tourne vers le registre de la comédie en cette fin des années 2000 avec Quand Chuck rencontre Larry, Je crois que j'aime ma femme, Be Bad ! ou Delirious. Il donne également de la voix pour des films d'animation, notamment Igor en 2007 ou Mission-G en 2009.

L'année suivante, la carrière de Steve Buscemi prend un tournant décisif. Martin Scorsese fait appel à lui pour le rôle principal de sa nouvelle série, créée en collaboration avec Terence Winter (scénariste des "Soprano") et qui a pour titre Boardwalk Empire. Le comédien incarne Enoch "Nucky" Thompson, homme politique et chef mafieux régnant en maître sur Atlantic City. La série est un immense succès et remporte notamment le Golden Globe 2011 de la meilleure série dramatique et vaut également à Steve Buscemi le Golden Globe du meilleur acteur.

Le comédien ne délaisse pas pour autant le cinéma et tourne en parallèle le drame Rampart aux côtés de Woody Harrelson. En 2012, l'acteur prête son timbre au personnage de Wayne le loup-garou dans Hôtel Transylvanie, film d'animation de Genndy Tartakovsky. Steve retrouve notamment en 2013 un personnage culte de l'univers animé, le vil Randall Boggs pour Monstres Academy, suite de Monstres & Cie.