Diplômé de Sciences-Po Paris, François-Xavier Demaison entame à New York une carrière dans la finance internationale avant de revenir à ses premières amours, la comédie, au lendemain des attentats du 11 septembre 2001. Ayant suivi dans sa jeunesse la classe libre du Cours Florent, l'ancien fiscaliste fait une rencontre déterminante en la personne de Samuel Le Bihan, qui, conquis par ses talents d'humoriste, accepte de le produire dans son premier one man show Demaison s'envole. Le succès est au rendez-vous, et en 2007, il partage aux côtés de François Berléand et Maruschka Detmers l'affiche de la pièce L'Arbre de joie au théâtre de la Gaîté-Montparnasse.

Côté cinéma, François-Xavier Demaison commence par de petits rôles -un agent immobilier dans Tout pour plaire (2004) et un chauffeur dans Olé ! (2005)- avant de s'imposer aux côtés d'anciens membres de la Troupe du Splendid comme Thierry Lhermitte dans Ca se soigne ? (2008) et le trio Jugnot, Balasko, Clavier dans L'Auberge rouge (2007). Esquissant également quelques pas de Disco, le comédien donne dans 48 heures par jour la réplique à Antoine de Caunes, le même qui lui offrira quelques mois plus tard l'un des rôles les plus marquants de sa jeune carrière, celui de Coluche. Nommé au César du Meilleur acteur en 2009 pour cette impressionnante composition, François-Xavier Demaison n'en oublie pas pour autant la comédie, son terrain de prédilection, où, entre Le Petit Nicolas, Tellement proches et Divorces, il évolue avec beaucoup d'aisance.

Il n'hésite pas ensuite à jouer les businessmen avides d'argent et de pouvoir, sorte de Tartuffe moderne, dans Moi, Michel G, Milliardaire, Maître du monde, puis enchaîne avec Beur sur la ville et la comédie romantique La Chance de ma vie, où il partage l’affiche avec Virginie Efira. Il décroche en 2012 l’un des rôles principaux de Comme des frères, l’émouvant premier film d’Hugo Gélin, aux côtés de Nicolas Duvauchelle, Pierre Niney et Mélanie Thierry, et prête également sa voix au héros du film d’animation Les Mondes de Ralph.

En 2015, François-Xavier Demaison fait des infidélités au grand écran et interprète son premier rôle majeur à la télévision dans la série Disparue. Donnant notamment la réplique à Pierre-François Martin-Laval et Alice Pol, il incarne le commandant Molina, chargé de l’enquête sur la disparition de la jeune Léa.

Privilégiant les films comiques via des rôles plus ou moins importants, François-Xavier Demaison est présent dans Arrête ton cinéma !, Les Têtes de l'emploi, Jour J, Comment j'ai rencontré mon père ou encore Tout le monde debout. Exception faite avec le biopic L'Outsider de Christophe Barratier où le comédien campe le mentor de Jérôme Kerviel. En 2019, il tient la tête d'affiche de All Inclusive en compagnie de quelqu'un qu'il connait bien : Franck Dubosc. Dans cette comédie réalisée par Fabien Onteniente, il joue un vacancier contraint de partager sa chambre avec un éternel célibataire très envahissant…