Après une courte carrière théâtrale, Joseph Fiennes débute sur grand écran en 1996 lorsqu'il décroche le rôle du prétendant de Liv Tyler dans Beauté volée de Bernardo Bertolucci. Mais c'est l'année 1998 qui lui apporte la gloire avec Shakespeare in Love de John Madden, dans lequel il incarne William Shakespeare face à Gwyneth Paltrow. Le film remporte sept Oscars l'année suivante.

Fidèle à son image de séducteur, il tourne dans plusieurs comédies romantiques telles que Martha, Frank, Daniel et Lawrence (1998) ou encore le thriller érotique Feu de glace, réalisé par Chen Kaige et dans lequel il côtoie Heather Graham. Il se retrouve de nouveau au générique de films historiques comme Elizabeth en 1998 ou encore Stalingrad (2001) de Jean-Jacques Annaud. Il prête également ses traits au réformiste religieux allemand Luther (2004) dans le film du même nom.

Après avoir prêté sa voix à Protéus dans le film d'animation Sinbad - la légende des sept mers (2003), il rejoint un prestigieux casting : Jeremy Irons et Al Pacino dans Le Marchand de Venise (Michael Radford) inspiré de l'oeuvre de William Shakespeare. En 2005, il tient le premier rôle, celui de l'anthropologue au 19ème siècle qui découvre des peuplades inconnues dans le film de Régis Wargnier, Man to man, aux côtés de Kristin Scott Thomas. Fidèle aux biopics, Joseph Fiennes incarne par la suite Vivaldi dans le film du même nom, ainsi que James Gregory, gardien de prison en charge de Nelson Mandela pendant 25 ans, dans Goodbye Bafana. Plus tard, dirigé par Rupert Wyatt, il tente de s’évader de prison dans le thriller Ultime Evasion. Si ce dernier rencontre un franc succès outre-manche, il ne bénéficie que d’une sortie vidéo sur le sol français.

Après une expérience mitigée dans les salles obscures, le frère de Ralph Fiennes se centre sur le petit écran. En 2010, il tient le rôle principal de la série de science-fiction FlashForward pour laquelle, sous les traits de l’agent spécial Mark Benford, il essaye de percer le mystère qui entoure un étrange black-out planétaire. Nouvel échec pour l’acteur britannique : la série est annulée au bout d’une saison. On l’aperçoit ensuite dans la peau du célèbre enchanteur, Merlin, dans la série canado-irlandaise Camelot, puis dans la deuxième saison de la série horrifique American Horror Story, où il campe l’évêque Timothy Howard. En 2014, Joseph Fiennes fait son retour au cinéma avec le péplum Hercule porté par le massif Dwayne Johnson.