Originaire de Vancouver au Canada, d’une mère comédienne et d’un père homme d’affaire, l’acteur a commencé par faire un caméo à l’âge de neuf ans dans une publicité pour l’attraction "The Wizarding World of Harry Potter" du parc à thème Universal Orlando Resort en Floride. Malgré les domaines d’activité qu’exercent ses parents, le jeune garçon a dû convaincre ces derniers de le laisser poursuivre une carrière dans le cinéma. Il obtient alors très vite en 2001 son vrai premier rôle dans le téléfilm familial Air Bud 3, suite d’une longue saga mettant en scène les aventures d’un golden retriever. Cette première expérience de tournage lui permet de continuer à jouer dans de petites productions pour enfants, et notamment dans un court-métrage d’animation dans lequel il prête sa voix au personnage principal.

C’est en 2007 que le comédien réussit à s’imposer dans le long-métrage fantastique Les portes du temps, dans lequel il campe le héros. Deux ans plus tard, il rejoint le casting du film d’action La montagne ensorcelée, aux côtés de l’acteur-catcheur Dwayne "The Rock" Johnson et d’AnnaSophia Robb (Charlie et la chocolaterie). Le canadien se fait alors remarquer par le grand public et décroche en 2012 le rôle de Cato dans le premier volet de la trilogie Hunger Games, avec en vedette la multi-récompensée Jennifer Lawrence.

Fort de sa notoriété, il enchaîne les rôles importants notamment dans la comédie populaire Copains pour toujours 2, avec Adam Sandler, Salma Hayek et Steve Buscemi, et le drame Du sang et des larmes de Peter Berg (The Leftovers, Battleship, Hancock) avec Mark Wahlberg.

Mais l’artiste doit son succès à la série Vikings dans laquelle il incarne, à partir de la deuxième saison du show, Bjorn, le fils de Ragnar Lothbrok, chef d’un groupe de vikings, bien décidé à changer le destin de son peuple.

Stéphane Villeneuve