Né au Royaume-Uni, Guy Pearce déménage en Australie avec sa famille alors qu'il n'a que trois ans et grandit dans la petite ville de Geelong. Dès l'âge de huit ans, il se produit dans des spectacles amateurs, comme Alice au pays des merveilles et Le Magicien d'Oz. En 1986, il apparaît dans la série télévisée australienne Les Voisins, et fait ses débuts quatre ans plus tard sur grand écran avec Heaven Tonight, un drame familial de Pino Amenta. Promis à un bel avenir, Guy Pearce enchaîne deux autres séries à forte audience : Summer Bay (1991) et Snowy River: The McGregor Saga (1993), puis joue sous la direction de Frank Howson dans trois longs métrages : Friday on my mind (1990), Hunting (1991) et My Forgotten Man (1996).

C'est le rôle de la drag queen Adam/Felicia dans Priscilla, folle du désert qui le fait connaître dans le monde entier en 1994. Dès lors, cet acteur au physique émacié alterne les tournages entre l'Australie et la Grande-Bretagne. La consécration vient en 1997 avec L.A. Confidential de Curtis Hanson : son interprétation de flic intègre aux côtés de Russell Crowe lui vaut une citation au Screen Actors Guild Award. Fort de ce triomphe critique, il incarne le capitaine John Boyd dans l'horrifique Vorace (1999) d'Antonia Bird, interprète un homme traquant l'assassin de sa femme et souffrant d'une forme rare et incurable d'amnésie dans le thriller Memento (2000) de Christopher Nolan, et affronte Samuel L. Jackson lors d'un procès militaire dans le très controversé L'Enfer du devoir (id.) de William Friedkin.

En 2002, Guy Pearce s'illustre dans les adaptations cinématographiques de deux romans d'aventure : La Machine à explorer le temps - Time machine de Simon Wells et La Vengeance de Monte Cristo de Kevin Reynolds, où il prend respectivement les traits du scientifique Alexander Hartdegen et ceux du comte Fernand Mondego. On le retrouve également chez Jean-Jacques Annaud, où il se lie d'amitié en 2004 avec deux tigres dans Deux frères.

Par la suite, l'acteur espace les tournages mais fait toujours autant preuve d'éclectisme, comme le prouvent ses prestations dans des longs-métrages aussi divers que le néo-western australien The Proposition (2006), le biopic Factory Girl (id.), où il campe l'artiste Andy Warhol, Au-delà de l'illusion (id.) et le post-apocalyptique La Route, adapté du roman de Cormac McCarthy. Il interprète également des personnages secondaires mais marquants dans Démineurs (2009) et Le Discours d'un roi (2010), qui ont chacun remporté l'Oscar du Meilleur film.

Malgré une renommée internationale, Guy Pearce continue de tourner dans son pays d'adoption, l'Australie : il est ainsi à l'affiche d'Animal Kingdom en 2011, une histoire centrée sur une famille de criminels perçue par beaucoup comme étant d'un niveau équivalent aux meilleurs films de mafia américains. Il retrouve également brièvement le petit écran le temps d'une saison de Mildred Pierce, avec Kate Winslet, diffusée sur HBO. L'année 2012 s'annonce ensuite très chargée et marque un changement d'orientation non négligeable dans sa carrière : l'acteur campe ainsi le méchant du thriller musclé Le Pacte et le héros viril et blagueur du film d'action Lock Out. Cette même année, il rejoint Ridley Scott et son casting à la mode (Fassbender, Rapace, etc.) pour le très attendu Prometheus.

Guy Pearce ne chôme pas et tourne de nombreux longs-métrages, notamment indépendants, qui ne trouvent pas toujours le chemin des salles françaises. C'est notamment le cas de Breathe In de Drake Doremus, qu'il retrouve en 2016 pour Equals aux côtés de Kristen Stewart et Nicholas Hoult, Hateship Loveship avec Kristen Wiig ou la comédie Results, où il donne la réplique à Cobie Smulders.

L'acteur n'en oublie pas pour autant les films à plus grande visibilité ou les blockbusters, où il continue de parcourir les rôles de bad guys : il fait partie des Hommes sans loi qui lui permet d'être dirigé pour la troisième fois par son compatriote John Hillcoat, et dans lequel il arbore un look pour le moins mémorable. Il fait aussi son entrée dans le Marvel Cinematic Universe et redevient un grand méchant face à Iron Man/Robert Downey Jr. dans le troisième volet de la franchise. Si l'Australie n'est jamais loin (The Rover), il explore le passé des États-Unis dans Genius et Brimstone, où il incarne un prêcheur impitoyable et sadique.

Ses films suivants passent pour la plupart inaperçus, entre productions en costume (Le Dernier Vermeer, Le Joueur de base-ball était un espion, Marie Stuart, Reine d'Écosse) et films d'action bourrins (Disturbing The Peace, Bloodshot, Memory). Le comédien parvient toutefois à tirer son épingle du jeu grâce à la télévision. On le croise en effet au générique de plusieurs séries, comme When We Rise sur l'histoire du mouvement pour les droits des homosexuels aux États-Unis, A Spy Among Friends sur un agent double anglais qui travaille pour le KGB, et Easttown. Dans celle-ci, saluée par la critique, il est l'amant de Kate Winslet, une détective sur les traces d'un meurtrier dans une petite ville de Pennsylvanie.

En 2025, Guy Pearce revient au premier plan au cinéma avec une double actualité : il est à l'affiche des Linceuls de David Cronenberg, ainsi que de The Brutalist, ambitieuse fresque de 3h35 sur le rêve américain qui lui vaut sa première nomination aux Oscars. Il y joue un industriel riche et capricieux qui se fait le mécène d'un architecte hongrois (Adrien Brody).