Après avoir fréquenté le National Youth Music Theatre de Londres durant son adolescence, Ben Barnes étudie le théâtre et la littérature anglaise à l’université de Kingston. Il multiplie alors les expériences sur les planches et développe un certain talent pour la musique, représentant le Royaume-Uni à l’Eurovision 2004 accompagné de son groupe, Hyrise.

Barnes fait ses débuts à la télévision en 2006 dans la série britannique Doctors et dans le drame Split Decision, avant d’obtenir un premier petit rôle au cinéma en 2007 dans l’aventure fantastique Stardust, le mystère de l'étoile de Matthew Vaughn, aux côtés de Robert De Niro et Michelle Pfeiffer. La même année, le jeune acteur passe en haut de l’affiche pour le drame Bigga Than Ben, où il incarne un truand russe.

Mais c’est en 2008 que Ben Barnes se forge une renommée mondiale en revenant au fantastique pour interpréter le légendaire Prince Caspian dans le second volet du Monde de Narnia. L’année suivante, il donne la réplique à Jessica Biel et à Kristin Scott Thomas dans la comédie romantique Un mariage de rêve et tient le rôle-titre du drame fantastique Le Portrait de Dorian Gray (inédit dans les salles françaises).

En 2010, après un nouveau voyage à Narnia en tant que Prince Caspian pour les besoins de L'Odyssée du Passeur d'aurore, Ben Barnes revient sur les débuts du groupe de rock U2 pour le biopic Killing Bono, et joue les pères de famille brisés dans le drame Locked In. Il est ensuite choisi pour jouer l'un des deux héros du fantastique Septième fils aux côtés de Jeff Bridges. Mais le succès n'est pas au rendez-vous.

Le natif de Londres se tourne alors vers le petit écran. Il campe ainsi l'un des pères fondateurs des Etats-Unis dans Sons of Liberty, un habitué du parc permettant de revivre le frisson de la conquête de l'Ouest dans Westworld et l'assassin Billy Russo dans The Punisher. Dans la mini-série Gold Digger, il incarne un homme faisant chavirer le coeur d'une sexagénaire (Julia Ormond).

En 2021, Ben Barnes revient au fantastique avec la série Netflix Shadow and Bone : La saga Grisha, adaptée des romans Grisha de Leigh Bardugo. Le comédien y incarne le Général Aleksander Kirigan.