Acteur sur le tard, Gabriel Byrne étudie l'archéologie et exerce différents métiers (professeur, cuisinier...) avant de se lancer dans la comédie, au théâtre puis dans la série télévisée anglaise à succès Bracken. En 1981, il apparaît dans son premier long métrage, Excalibur de John Boorman. Il a alors 31 ans.

Irlandais d'origine, le comédien traverse rapidement l'Atlantique. Après Hanna K. de Costa-Gavras en 1983, Gabriel Byrne se retrouve à l'affiche de La Forteresse noire, le deuxième film de Michael Mann. Il faut cependant attendre 1990, après un retour en Angleterre en 1986 pour le film d'horreur Gothic, pour qu'il se révèle réellement au public, avec son rôle de bras droit d'un patron de la pègre dans Miller's Crossing de Joel et Ethan Coen.

Dès lors, son visage austère et ténébreux le cantonne souvent à des thrillers comme Nom de code : Nina, Usual Suspects et Ennemi d'Etat. Parallèlement, l'acteur s'engage dans des projets plus risqués comme Dead Man (1995), Smilla (1997) ou The End of Violence (1997), ces deux derniers films prouvant l'attachement de Gabriel Byrne à la culture européenne. Dans un tout autre registre, il incarne le mousquetaire D'Artagnan aux côtés de Gérard Depardieu, de John Malkovich et de Jeremy Irons dans le film de cape et d'épée L' Homme au masque de fer (1997).

Le passage à l'an 2000 voit le natif de Dublin s'orienter vers des projets plus fantastiques. Coup sur coup prêtre dans Stigmata, puis incarnation de Satan dans La Fin des temps en 1999, Gabriel Byrne participe également à Spider de David Cronenberg, présenté au Festival de Cannes en 2002. L'année suivante, il donne la réplique à Sylvester Stallone dans Les Maîtres du jeu, un thriller sur fond de poker. A l'aise dans tous les registres, on le voit tantôt dans le remake d'un film de Carpenter, Assaut sur le central 13 (2005), tantôt dans des films à costumes comme Vanity fair, la foire aux vanités (2005) et Le Pont du roi Saint-Louis, dans lequel il interprète le frère Juniper, l'un des personnages clé du film.

La suite de la carrière de Gabriel Byrne a lieu sur le petit écran. L'acteur joue notamment dans la série TV En analyse. Il y officie durant trois saisons, entre 2008 et 2010, interprétant le Dr Paul Weston (il remportera le Golden Globe du meilleur acteur en 2009 pour ce rôle). Il participe également aux séries Vikings et Secret State en 2012. Byrne retrouve ensuite Costa-Gavras la même année, presque 30 ans après Hanna K., pour tourner Le Capital aux côtés de Gad Elmaleh. Le film est un drame sur fond de crise économique, et une plongée dans la décadence du monde de la finance.