Après des études à la Royal Academy of Dramatic Art, Clive Owen s'illustre sur les planches et à la télévision. C'est en 1991 que le Britannique obtient son premier rôle d'importance sur grand écran, avec le long-métrage Close my eyes, où il donne la réplique à Alan Rickman.

Après quinze téléfilms, quatre séries télévisées, des spots publicitaires et même un jeu vidéo auquel il prête sa voix, Clive Owen commence à privilégier le septième art. Il apparaît dans le drame Century (1993) et interprète avec Bent (1997) un homosexuel envoyé dans un camp nazi. Il connaît ensuite l'enfer du jeu dans le long-métrage Croupier (1998) puis se mue prisonnier-jardinier avec Jardinage à l'anglaise (2000).

La carrière de Clive Owen s'accélère à l'aube du nouveau millénaire. Après avoir incarné un valet dans le Gosford Park de Robert Altman, il affronte Matt Damon dans La Mémoire dans la peau. En 2004, il incarne Le Roi Arthur, s'illustre au générique du sulfureux Closer, entre adultes consentants, aux côtés de Natalie Portman, Jude Law et Julia Roberts, puis joue dans Sin city, adaptation du comic-book de Frank Miller.

Un temps pressenti pour incarner l'agent James Bond, Clive Owen apparaît en 2006 aux génériques des thrillers Dérapage, avec Jennifer Aniston et Vincent Cassel, et Inside man - l'homme de l'intérieur, réalisé par Spike Lee, dans lequel il incarne un ingénieux braqueur de banques face à Denzel Washington et Jodie Foster. La même année, il est également la vedette du film de science-fiction Children of men d'Alfonso Cuaron.

Tireur d'élite dans le très barré Shoot'Em Up en 2007, Clive Owen incarne ensuite l'un des prétendants de Cate Blanchett dans Elizabeth : l'âge d'or, puis voyage aux quatre coins du monde pour affronter une multinationale aux côtés de Naomi Watts, dans L'Enquête, de Tom Tykwer, avant de retrouver Julia Roberts à l'affiche de Duplicity.

À partir de 2011, il est invité par plusieurs jeunes réalisateurs à jouer dans des genres très différents : le film d'action musclé Killer Elite, où il donne la réplique à Jason Statham et Robert De Niro, le drame Trust, réalisé par l'ex-Friends David Schwimmer, et le film d'horreur Intruders. Dans ces deux derniers, Clive Owen campe un père de famille devant faire face aux graves problèmes de sa fille : de l'ordre de la pédophilie dans le premier et du surnaturel dans le second. L'acteur joue ensuite les agents secrets du MI-5 dans Shadow Dancer pour James Marsh avant de porter l'ambitieux Blood Ties de Guillaume Canet, qui ne rencontre pas son public. Cela ne l'empêche pas de rebondir en s'emparant du premier rôle exigeant de la série The Knick, le temps de deux saisons. S'il est à l'aise dans de petites productions (Hemingway & Gellhorn, Lessons in Love), Clive Owen est au casting de la super-production bessonienne Valérian et la Cité des Mille Planètes, dans le rôle du Commandant Arün Filitt, chargé de superviser Dane DeHaan et Cara Delevingne.