Né et élevé à New York, Adrien Brody est le fils de la photographe Silvia Blachy. Très tôt, celle-ci va le pousser vers une carrière artistique en l'inscrivant aux cours de comédie de l'American Academy of Dramatic Arts. Il obtient alors ses premiers rôles à 12 ans dans la sitcom Annie McGuire puis dans New York Stories (sketch Le Complot d'Oedipe de Woody Allen). Quatre ans plus tard, le comédien interprète un délinquant dans King of the Hill de Steven Soderbergh et plusieurs petits rôles dans des séries B hollywoodiennes (Le Guerrier d'acier, Une équipe aux anges). Il tourne également dans des films indépendants tels que The Last time I committed suicide avec Keanu Reeves.

En 1998, alors qu'il devait tenir le premier rôle de la fresque de guerre La Ligne rouge, il est évincé au profit de Jim Caviezel. Terrence Malick lui confie tout de même un second rôle, dans lequel il se fait remarquer. De grands metteurs en scène font désormais appel à lui. Il incarne un musicien punk dans Summer of Sam de Spike Lee, un étudiant juif dans Liberty Heights de Barry Levinson ou encore un syndicaliste dans Bread and Roses de Ken Loach.

La consécration arrive en 2003 avec Le Pianiste de Roman Polanski, dans lequel Adrien Brody joue le rôle du musicien virtuose Wladyslaw Szpilman, Juif polonais parqué dans le ghetto de Varsovie durant la Seconde Guerre mondiale. Sa prestation sobre et émouvante lui vaut l'Oscar et le César du Meilleur acteur, et fait de lui un des comédiens les plus sollicités d'Hollywood. S'orientant alors vers une carrière plus grand public, il tourne en 2004 les thrillers fantastiques Le Village de Shyamalan et The Jacket, tout en incarnant l'année suivante le courageux scénariste Jack Driscoll dans la nouvelle version de King Kong signée Peter Jackson, un rôle qui achève son ascension vers le statut de star internationale.

La nouvelle notoriété d'Adrien Brody, désormais plus populaire, lui permet de jouer aux côtés de stars telles que Ben Affleck dans Hollywoodland (2006), film dans lequel il incarne un détective privé enquêtant sur la mort de l'acteur George Reeves. Par la suite, il enchaîne deux comédies : A bord du Darjeeling Limited de Wes Anderson (2008) et Une arnaque presque parfaite de Rian Johnson (2009), avant de retourner au drame dans Manolete en 2010, un film de Menno Meyjes dans lequel il incarne le célèbre matador Manuel Rodríguez Sánchez, aux côtés de Penélope Cruz.

Nouvelle décennie et nouveaux genres pour le comédien. Après avoir joué les durs dans trois films de science-fiction (Splice, ainsi que les remake The Experiment et Predators), Adrien Brody s'adonne à des rôles plus humains. Il est tout d'abord à l'affiche de Minuit à Paris (2011), la comédie très "frenchy" de Woody Allen, dans lequel il se glisse dans la peau du peintre Salvador Dalí, puis devient enseignant bienveillant dans Detachment de Tony Kaye (American History X).

Il retrouve l'un de ses réalisateurs fétiches, Wes Anderson, pour The Grand Budapest Hotel (2013), The French Dispatch (2021) et Asteroid City (2023). Entretemps, il apparaît dans Braquage à l'américaine, Puzzle, Manhattan Night, Insurrection, Les Sentinelles du Pacifique et Coup de théâtre. Le biopic Netflix Blonde (2022) consacré à Marilyn Monroe lui permet de se glisser dans la peau d'Arthur Miller.

Si ses prestations cinéma tendent à passer relativement inaperçues durant la deuxième moitié des années 2010, Adrien Brody trouve plusieurs rôles marquants côté petite lucarne. Il campe ainsi l'antagoniste de la saison 4 de Peaky Blinders et un charismatique milliardaire dans deux épisodes de la saison 3 de Succession. En outre, il est au générique durant deux saisons de Winning Time: The Rise of the Lakers Dynasty, qui retrace l’épopée des Lakers en NBA au début des années 80.

En 2023, après avoir joué le méchant de la comédie d'action Apple TV+ Ghosted, l'acteur donne la réplique à Jesse Eisenberg pour les besoins de Manodrome, film sur la masculinité toxique. L'année suivante, l'acteur revient sur le devant de la scène avec The Brutalist, épopée de plus de trois heures sur un architecte hongrois réfugié aux États-Unis après la Seconde Guerre mondiale. Sa performance lui vaut le Golden Globe du meilleur acteur dramatique et l'Oscar du meilleur acteur, plus de vingt ans après Le Pianiste.