Fils de Tom Hanks, l’un des acteurs les plus bancables de tous les temps, Colin Hanks baigne très tôt dans le milieu du septième art. Il fait ses études à la Sacramento Country Day School puis à l'université Chapman, et obtient son diplôme d'études secondaires à l'université Loyola Marymount. 

Le jeune homme est révélé en 1999 avec la série de science-fiction Roswell où il incarne Alex Whitman durant ses deux premières saisons. Il prend ensuite part à deux épisodes de la série de guerre HBO créée par son père et Steven Spielberg, Frères d'armes, avant d’obtenir plusieurs rôles au cinéma. On peut ainsi le voir dans des films pas forcément connus en dehors des frontières de son pays comme Orange County (2002), Standing Still, (2005), Careless (2007) ou encore Mon espion préféré (2008).

En 2008, Colin Hanks joue un prêtre dans 3 épisodes de la série à succès Mad Men avant de voir sa notoriété augmenter grâce à son personnage de méchant dans la saison 5 de Dexter, celui du redoutable tueur en série schizophrène Travis Marshall. L'acteur est ensuite choisi pour incarner un policier procédurier s'opposant à l'impulsif Bradley Whitford dans la série mélangeant les genres de la comédie et du policier, The Good Guys.

Habitué aux rôles de personnages un peu coincés et calmes, Colin Hanks se glisse en 2014 dans la peau d'un policier à la vie bien rangée dans la première saison de Fargo, adaptation en dix épisodes du polar neigeux culte des frères Coen à l'atmosphère drôle et macabre.