Giovanni Ribisi manifeste l'envie de devenir acteur dès son plus jeune âge, et apparaît pendant son adolescence dans de nombreuses séries télévisées telles que Mes Deux Papas, Mariés, deux enfants ou encore Les Années coup de coeur. Après une apparition anecdotique dans le film d'horreur The Outpost en 1995, le comédien devient familier du grand public en interprétant Frank Buffay, le frère un peu stupide de Lisa Kudrow dans la série Friends.

Sa carrière au cinéma décolle en 1996 avec deux seconds rôles : celui du batteur dans That Thing you do ! puis le personnage de Steve "V" dans Lost highway de David Lynch. Mais c'est en incarnant le courageux infirmier Irwin Wade, membre de l'équipe de secours d'Il faut sauver le soldat Ryan, que le comédien se fait remarquer par la profession, remportant une nomination aux Screen Actors Guild Awards. Sa voix mélancolique est ensuite choisie pour raconter le destin tragique des soeurs Lisbon dans Virgin suicides.

Dès lors, Giovanni Ribisi enchaîne les tournages et est à l'affiche de pas moins de trois films en 2000, tout en diversifiant ses rôles : jeune homme d'affaires arriviste dans Les Inities, frère imprudent de Nicolas Cage pour 60 secondes chrono, il campe enfin un homme déficient mental repoussé par les habitants d'une bourgade américaine dans Intuitions de Sam Raimi aux côtés de Cate Blanchett, actrice qu'il retrouve en 2002 dans le drame Heaven, de Tom Tykwer.

En 2003, Giovanni diversifie les rôles, du thriller militaire Basic de John McTiernan à la comédie douce-amère Lost in translation de Sofia Coppola, en passant par le drame I love your work et le film historique Cold Mountain. Il retrouve l'acteur anglais pour Capitaine Sky et le monde de demain (2003), thriller fantastique à l'esthétique recherchée. Aux côtés de Dennis Quaid, il explore l'univers aérien pour Le Vol du Phoenix (2005), remake du film de Robert Aldrich dans lequel il reprend le rôle de Richard Attenborough.

En 2006, toujours au cinéma, il enchaîne de nombreux rôles secondaires dans 10th & Wolf (le personnage de Ted), The Dog Problem (Solo), The Dead Girl (Rudy) avant de camper Miles Haley aux côtés de Bruce Willis et Halle Berry dans Dangereuse séduction. Ses tournages de cinéma ne l'empêchent pas de poser quelquefois un pied dans des épisodes de séries tels que Entourage ou Earl.

Après ces nombreuses apparitions qui affirment son talent de comédien, l'année 2009 est pour Giovanni Ribisi celle de la consécration avec des projets de cinéma sous la direction de très grands réalisateurs. En effet, Michael Mann lui confie le rôle d'Alvin Karpis dans Public Enemies, avec Johnny Depp et Christian Bale. James Cameron, également, le dirige dans l'aventure de Pandora avec le film en 3D Avatar, avant d'incarner le Détective Paul Giardello, dans le thriller Columbus Circle devant la caméra de George Gallo.

Il retrouve en 2011 Johnny Depp avec qui il campe le personnage de Moburg dans Rhum Express, film "alcoolisé" et déjanté écrit et réalisé par Bruce Robinson. Produit par Johnny Depp lui-même, Rhum Express est d'ailleurs présenté comme une sorte de fausse suite de Las Vegas parano (1998). Il accepte ensuite de participer au casting du thriller Contrebande produit et réalisé par l'islandais Baltasar Kormakur. Giovanni Ribisi y incarne Tim Briggs aux côtés de Kate Beckinsale et Mark Wahlberg.

Davantage discret côté grand écran, Giovanni Ribisi apparaît tout de même dans Gangster Squad, Albert à l'ouest, Selma, Meadowland et A Million Little Pieces. Il retrouve aussi Wahlberg pour les lucratives comédies Ted et sa suite, dans lesquelles il incarne l'antagoniste. Parallèlement, il joue le rôle-titre de la série Sneaky Pete, celui d'un arnaqueur chevronné embarqué dans une spirale infernale. En 2022, le natif de Los Angeles reprend son personnage de Parker Selfridge dans Avatar : la voie de l'eau.