Fils de la grande comédienne de théâtre autrichienne Monica Bleibtreu et de l'acteur allemand Hans Brenner, qui quitte le domicile familial deux ans après la naissance du bambin, Moritz Bleibtreu grandit à Hambourg. Adolescent, il abandonne ses études et part en France, où il séjourne un an comme garçon au pair. Cet enfant de la balle, qui à 9 ans, jouait déjà dans Neues aus Uhlenbusch, une série télévisée à succès diffusée sur la ZDF, prend des cours de comédie à Paris, Rome et New York, et fait ses débuts sur scène à 21 ans dans Romeo et Juliette à la Schauspielhaus de Hambourg.

Apparu au cinéma en 1994 dans Einfach nur Liebe, Moritz Bleibtreu est remarqué en 1997 grâce au personnage d'Abdul, le gangster fêlé qu'il interprète dans Paradis Express et qui lui vaut l'équivalent allemand du César du Meilleur second rôle. L'acteur globe-trotteur incarne encore un de ces heros perturbés qu'il affectionne tant dans Luna papa, tourné en Asie centrale, mais travaille surtout avec les cinéastes allemands les plus prometteurs : Tom Tykwer le choisit pour interpréter le petit ami de Franka Potente dans Cours, Lola, cours, champion 1998 du box-office outre-Rhin, Olivier Hirschbiegel en fait le héros de son thriller L'Expérience (Bleibtreu sera sacré Meilleur acteur dans son pays en 2001 pour sa composition de journaliste infiltré), et Fatih Akin le dirige à plusieurs reprises.

Promu nouvelle coqueluche du cinéma allemand, Moritz Bleibtreu prête ses traits à l'obsédé sexuel imaginé par Houellebecq dans Les Particules élémentaires d'Oskar Roehler, prestation saluée par un Prix d'interprétation à la Berlinale 2006. La même année, il apparaît dans deux superproductions, l'une américaine (Munich), l'autre française (Le Concile de pierre). Continuant sur sa lancée internationale, il apparaît en 2008, au casting du film d'action des frères Wachowski, Speed Racer, ainsi que dans le drame sur fond de seconde guerre mondiale, Les Femmes de l'ombre, dans lequel il joue un officier nazi, ancien amant de Marie Gillain. Il renoue ensuite avec son pays natal, pour La Bande à Baader, un film consacré au groupe terroriste allemand qui fait scandale outre-Rhin.