Elève au Cours Florent après une enfance à Créteil, Yvan Attal débute en 1988 sur scène, dans la pièce "Biloxi Blues" de Neil Simon, et dans un téléfilm d'Elie Chouraqui, Parlez-moi d'amour. Mais c'est sa rencontre avec Eric Rochant qui va lancer sa carrière. Sa première apparition à l'écran, en ami squatteur d'Hippolyte Girardot dans Un monde sans pitié, lui vaut en 1989 le Prix Michel-Simon et, l'année suivante, le César du Meilleur espoir masculin.

Rochant confie à Attal le rôle principal de ses deux films suivants : Aux Yeux du monde, qui marque la rencontre du comédien avec celle qui deviendra sa compagne, Charlotte Gainsbourg, et Les Patriotes, film d'espionnage tourné sur sa terre natale, Israël. Jouant volontiers les héros tourmentés et les mauvais garçons, de Cantique de la racaille à Bon voyage, Yvan Attal, lauréat du prix Jean-Gabin en 1997, s'illustre aussi dans un registre plus sentimental, chez Doillon, Winterbottom ou Marion Vernoux (Love etc.).

En 1997, Yvan Attal passe derrière la caméra avec I got a woman, court métrage décrivant avec humour les affres d'un homme qui partage la vie d'une comédienne. Ce sera le point de départ de son premier long en tant que réalisateur, Ma femme est une actrice, dans lequel il se met en scène aux côtés de sa muse Charlotte Gainsbourg. Après cette comédie pétillante, qui reçoit un accueil très chaleureux, il signe en 2004 le plus ambitieux Ils se marièrent et eurent beaucoup d'enfants, film choral qui réunit notamment, autour du couple Attal-Gainsbourg, Alain Chabat et Emmanuelle Seigner.

Loin d'abandonner sa carrière d'acteur, Yvan Attal semble afficher une prédilection pour les thrillers (Anthony Zimmer, Le Serpent), mais on le retrouve aussi en Serge Klarsfeld pour le petit écran, ou encore devant la caméra de ses collègues Niels Arestrup et Valeria Bruni Tedeschi. Celui qui double Tom Cruise sur plusieurs films côtoie Nicole Kidman dans L’Interprète de Sydney Pollack. Dirigé par Steven Spielberg dans Munich, ce fan du cinéma américain des années 70 réalise un des segments du film collectif New York, I Love You.

Mari trompé dans Partir, amant passionné dans Les Regrets, Yvan Attal campe un homme d'affaires kidnappé dans Rapt de Lucas Belvaux : un tournage éprouvant et une de ses prestations les plus marquantes (il perd 20 kilos pour l'occasion !). Son goût pour les rôles physiques se confirme avec des films tels que R.I.F. ou Dans la tourmente, sorti en 2012. Cette même année marque également ses retrouvailles avec Lucas Belvaux (38 témoins), la sortie de son premier film de commande, Do Not Disturb (un remake osé de la comédie indépendante américaine Humpday dans lequel il partage l'affiche avec François Cluzet), et son grand retour au théâtre dans la pièce "Race" de David Mamet.

A l'affiche des méconnus Son épouse et Le Dernier diamant, Yvan Attal campe un méchant burlesque dans la lucrative comédie de Dany Boon RAID Dingue avant de réaliser Ils sont partout où il démonte, à travers une galerie de personnages truculents, les différents clichés à propos des Juifs. Rapidement après, le cinéaste livre son cinquième long métrage, la comédie Le Brio, dans lequel le professeur de droit aux méthodes provocantes Daniel Auteuil prépare l'étudiante Camélia Jordana à un concours d’éloquence. Très actif, il signe en 2019 le loufoque Mon chien Stupide, où il fait à nouveau tourner sa femme et son fils Ben Attal, tout en s'octroyant le personnage principal, un père de famille blasé.

Parallèlement, Yvan Attal prend part à la série de SF Ad Vitam. En 2022, il incarne le personnage principal de Maestro(s), un chef d'orchestre renommé. Pour l'occasion, il donne la réplique à Pierre Arditi. L'année suivante, il campe un haut placé du nucléaire dans La Syndicaliste et, côté séries, incarne un escroc dans D'argent et de sang ainsi que le metteur en scène Raoul Lévy dans Bardot. Toujours en 2023, il réalise son nouveau film, le thriller Un coup de dés, dans lequel il s'octroie l'un des personnages principaux et convoque également Guillaume Canet, Marie-Josée Croze et Maïwenn en tête d'affiche.