Fils de Jean-Pierre Cassel, Vincent Cassel passe par l'école du cirque et l'Actor's Institute de New York avant d'entrer à Paris dans la troupe de Jean-Louis Barrault. Il fait ses débuts au cinéma dans Les Clés du paradis (Philippe de Broca, 1991). Sa rencontre avec Mathieu Kassovitz est déterminante. Le jeune cinéaste dirige le comédien et lui donne la réplique dans Métisse (1993), La Haine (1995) et Les Rivières pourpres (2000). Si Métisse ne reste pas dans les mémoires, La Haine est un véritable cataclysme dans le cinéma français, aussi bien du point de vue du sujet sensible abordé que des performances (spectaculaires) des acteurs. Non content de son succès commercial, le film permet de faire émerger dans le débat public le sujet controversé de la violence urbaine et policière.

Se dégage également un acteur de génie, Vincent Cassel. Adapté du roman de Jean-Christophe Grangé, Les Rivières Pourpres fait aussi des merveilles au box office. En 1998, Cassel et Kassovitz se retrouvent au casting du Plaisir et ses petits tracas (Nicolas Boukhrief).

Comédien réputé impulsif, il investit ses personnages de toute son énergie, aussi bien au travers de la violence comme dans Dobermann (1997) de Jan Kounen ou Jeanne d'Arc (1999) de Luc Besson, qu'au travers de la timidité et de l'introversion (L'Appartement). Véritable acteur-caméléon, il est capable d'incarner aussi bien un jeune précepteur de bonne famille dans L'Elève d'Olivier Schatzky qu'un chercheur d'emploi fraîchement sorti de prison dans Sur mes lèvres (2001) de Jacques Audiard.

Ayant pour compagne Monica Bellucci, il a plusieurs fois joué à ses côtés, notamment dans Le Pacte des loups (2001) de Christophe Gans, le sulfureux Irréversible (2002) de Gaspar Noé ou encore le thriller d'espionnage Agents secrets (2004) de Frédéric Schoendoerffer. A partir de 2002, les talents de comédien de Vincent Cassel s'exportent à l'étranger : il est un "cousin" un peu trop envahissant face à Nicole Kidman dans Nadia de Jez Butterworth, incarne à l'écran le mystique Blueberry sous la direction de son ami Jan Kounen et affronte le gang des braqueurs cools de Ocean's 12 (2004). Les Etats-Unis continuent de faire appel au fils Cassel pour des seconds rôles auprès de grandes stars. Il affronte de nouveau - et brièvement - le gang Ocean dans Ocean's 13 et cause de sérieux problèmes à Clive Owen par l'entremise de Jennifer Aniston dans Dérapage.

Vincent Cassel n'oublie cependant pas son pays natal, où il continue de jouer des rôles plus ou moins habituels pour lui. Ainsi, il devient Joseph, un gardien de maison sanguinaire dans Sheitan, film qu'il a lui même produit. Il recommence à se travestir de la manière la plus surprenante qui soit, en jouant un satyre à pattes de bouc, dans Sa Majesté Minor, de Jean-Jacques Annaud, face à l'éloquent cochon campé par José Garcia. Vincent retourne ensuite aux Etats-Unis, pour jouer sous la direction de David Cronenberg, dans Les Promesses de l'ombre, long métrage sondant les tréfonds inquiétants de la nature humaine, par le biais de la mafia russe implantée à Londres.

Toujours en quête de nouveaux horizons, n'ayant pas peur de jouer des rôles antipathiques, ou bien de ternir son image de sex-symbol, il accepte d'interpréter Jacques Mesrine, dans les deux films qui composent le diptyque : Mesrine : L'Instinct de mort et Mesrine : L'Ennemi public n°1, réalisés par Jean-François Richet. Sa composition lui vaut le César du Meilleur acteur 2009. Toujours en 2009, Vincent Cassel retrouve le monde de l'animation en prêtant pour une troisième fois sa voix au smilodon Diego de L' Âge de glace 3 - Le Temps des dinosaures, après les deux premiers opus sortis en 2001 et 2005. Au milieu de la banlieue clichée de l'adaptation des Lascars, Cassel et Tony Merguez ne font plus qu'un, tout comme avec Chuck, l'astronaute malchanceux, alien parmi les extra-terrestres de laPlanète 51.

Par la suite, Vincent Cassel poursuit sa carrière dans des films plus modestes que Mesrine mais tout aussi efficaces. Il est le père infidèle de Laura Neiva dans le film A Deriva (2009) de Heitor Dhalia, puis le psychologue sans limites de Notre jour viendra (2010) de Romain Gavras, projet sur lequel il est également producteur. En 2011, renouant avec la scène, il recouvre les traits du chorégraphe (plus qu'ambigu) de Natalie Portman dans Black Swan du cinéaste Darren Aronofsky. Il tient également le rôle titre du Moine, adaptation par Dominik Moll d'un roman gothique écrit au XVIIIe siècle. Retour du côté obscur ensuite dans A Dangerous Method. Quatre ans après Les Promesses de l'ombre, l'acteur transformiste retourne chez Cronenberg en incarnant cette fois-ci le psychiatre dément Otto Gross, élève de Sigmund Freud (alias Viggo Mortensen). Les deux acteurs se croisent pour la seconde fois.

Continuant de doubler le désormais culte Diego dans le quatrième volet de L'Age de Glace en 2012, Vincent Cassel continue son exploration du cinéma mondial en tournant pour le britannique Danny Boyle dans le thriller Trance aux côtés de Rosario Dawson et James McAvoy ainsi que dans l'un des segments réalisé par Fernando Meirelles du film à sketches, Rio, eu te amo. L'acteur continue néanmoins de travailler dans l'Hexagone pour des projets prestigieux comme une nouvelle adaptation de La Belle et la Bête où il reprend près de 70 ans après, le rôle mythique tenu par Jean Marais dans la version de 1946 réalisée par Jean Cocteau.

2015 est une année faste pour l'acteur à l'affiche de pas moins de cinq films, parmi lesquels Partisan de l'Australien Ariel Kleiman, Enfant 44 réalisé par le Suédois Daniel Espinosa ou Un Moment d'égarement pour lequel il retrouve Jean-François Richet, sept ans après le diptyque Mesrine. Vincent Cassel est également l'une des grandes vedettes du Festival de Cannes avec deux films en sélection officielle : Mon Roi de Maiwenn et Tale of tales de l'Italien Matteo Garrone. Cassel affronte ensuite Matt Damon dans Jason Bourne, dernier volet de la saga. Il y campe le méchant Asset. Il joue aussi sous la direction de Xavier Dolan dans le drame puissant Juste la fin du monde.

En 2017, l'acteur se glisse dans la peau du peintre Gauguin dans un biopic signé Edouard Deluc. Il enfile ensuite l'imperméable du commandant Visconti, un flic alcoolique et désabusé dans le thriller Fleuve noir aux côtés de Romain Duris. Puis, il tourne sous la houlette de Romain Gavras dans Le Monde est à toi puis sera Vidocq en décembre 2018 dans L'Empereur de Paris. Il y retrouve pour l'occasion Jean-François Richet. Mais ce film ambitieux se solde par un échec au box-office. En parallèle, il apparaît, le temps de sept épisodes, dans la brillante série américaine Westworld. A l'affiche des comédies Hors normes et Le Bonheur des uns... et du film d'horreur SF Underwater, Vincent campe en 2023 Jules César dans Astérix et Obélix : L'Empire du Milieu de Guillaume Canet.

La même année, il incarne Athos dans le diptyque Les Trois Mousquetaires de Martin Bourboulon.