Formé au "Drama Centre" de Londres, Paul Bettany fait ses débuts sur scène dans le West End avec la pièce de théâtre Un Inspecteur vous demande, puis joue avec la "Royal Shakespeare Company". Ses premières prestations à l'écran remontent à 1997 : il incarne le prince Guillaume d'Orange dans le téléfilm Sharpe's Waterloo et joue le rôle d'un Capitaine SS dans Bent, un drame de Sean Mathias avec Clive Owen dont l'action se déroule dans l'Allemagne nazie.

Après s'être illustré dans Trois Anglaises en campagne (1998) de David Leland, Paul Bettany interprète un jeune malfrat dans Gangster n° 1 (2001) de Paul McGuigan. En 2001, il décroche le rôle de l'écrivain Geoff, fidèle complice de Heath Ledger dans Chevalier, film d'aventure moyenâgeux de Brian Helgeland. Dès lors, sa silhouette de blond filiforme et élancé devient familière aux yeux du grand public.

Paul Bettany tourne ensuite sous la direction de réalisateurs réputés : Ron Howard (Un homme d'exception où, durant le tournage, il fait la rencontre de Jennifer Connelly, sa future compagne), Lars von Trier (Dogville, où il donne la réplique à Nicole Kidman) ou encore Peter Weir (Master and commander de l'autre côté du monde). Ce dernier film se situant à l'époque des guerres napoléoniennes lui donne l'occasion de retrouver Russell Crowe, son partenaire d'Un homme d'exception. S'essayant à un registre plus léger, il est un champion de tennis qui tombe sous le charme de Kirsten Dunst pour les besoins de La Plus belle victoire (2004).

Après avoir à nouveau joué sous la direction de Ron Howard en 2006 dans la peau du diabolique et fanatique albinos Silas (Da Vinci Code), et dans le peu rentable Firewall en compagnie d'Harrison Ford la même année, Paul Bettany s'éloigne quelque peu des écrans avant d'y revenir, en 2009, à l'affiche de trois films très différents : un conte fantastique (Coeur d'encre), un drame (Le Secret de Lily Owens) et un film en costumes (Victoria : les jeunes années d'une reine). En 2010, il interprète un Charles Darwin tiraillé entre ses découvertes scientifiques et son amour pour sa femme très pieuse (Jennifer Connelly) dans Création.

Son physique, chargé d'une tonalité mystique depuis sa prestation dans Da Vinci Code, lui vaut de jouer des personnages fanatiques ou divins : ainsi, après avoir prêté ses traits à un archange dans le film fantastique Légion - L'Armée des anges (2010), il incarne ensuite un prêtre guerrier dans Priest (2011). Heureusement, cela ne l'empêche pas de s'illustrer dans des registres variés : policier dans The Tourist, trader dans Margin Call, l'acteur conserve une palette de jeu étendue qui lui vaut même de prêter sa voix à Jarvis, le système informatique de Tony Stark, dans les deux volets d'Iron Man, fantaisie qu'il réitère dans Avengers.