Vincent Rottiers fait du théâtre dans le cadre de son collège. Il décide de prendre un agent, mais aucune proposition n'arrive. C'est finalement dans la rue que, bien vite, on le repère : il décroche ainsi à 15 ans le rôle principal des Diables de Christophe Ruggia (2001). Il interprète avec une authenticité bluffante un gamin abandonné, qui fait des fugues à répétition avec sa soeur adorée campée par la talentueuse Adèle Haenel.

Après des participations à Narco et La Maison de Nina, Vincent Rottiers trouve deux autres beaux rôles d'ados en manque de repères, celui que Vanessa Paradis prend sous son aile dans Mon ange (2005) et celui qui est recueilli par Julie Depardieu dans Le Passager d'Eric Caravaca, un personnage qui lui vaudra une nomination au César du Meilleur espoir en 2007.

Vincent Rottiers tente ensuite une incursion dans la comédie grand public (L'Île aux trésors) et apparaît dans deux grosses productions historiques (L'Ennemi intime, Les Femmes de l'ombre). En 2009, c'est un cinéma intimiste qui offre des personnages marquants à l'acteur, dont l'intensité laisse entrevoir une sensibilité d'écorché vif : dans Je suis heureux que ma mère soit vivante de Claude et Nathan Miller, il est un ado écartelé entre sa famille d'adoption et sa mère biologique tandis qu'il joue les petits voyous dans A l'origine et Qu'un seul tienne et les autres suivront. Une année forte qui le révèle au grand public et au cinéaste Raphaël Jacoulot, qui le choisit pour donner la réplique à Jean-Pierre Bacri dans son deuxième long métrage, Avant l'aube.

Vincent continue son ascension en donnant la réplique à la craquante Anaïs Demoustier dans L'Hiver dernier en 2012. Il prête ensuite ses traits au célèbre Jean Renoir dans Renoir de Gilles Bourdos. Se situant en 1915, l'histoire évoque le peintre Auguste Renoir et son fils Jean, revenu blessé du front. Le comédien y donne la réplique à Michel Bouquet et l'incandescente Christa Théret. Après cette incursion dans le biopic, le jeune homme enchaîne les projets ; on le retrouve notamment en 2014 dans L'Ecume des jours sous la direction de Michel Gondry pour cette adaptation du roman de Boris Vian. La même année, il s'illustre dans le premier rôle de Le Monde nous appartient dans lequel il incarne un jeune homme torturé aux côtés d'Olivier Gourmet et Reda Kateb.

Vincent brille ensuite sous la houlette de Roschdy Zem dans Bodybuilder ; il campe Antoine, un jeune homme perdu et jouant les petites frappes renouant avec son père, un culturiste passionné avec lequel il s'entend mal. Le comédien montre en 2015 qu'il peut aussi jouer dans des comédies populaires en tournant dans Valentin Valentin avec Marilou Berry et Marie Gillain. Il retrouve toutefois la même année les rôles dans lesquels il est souvent associé, le jeune gangster à la fois brutal et sensible. En effet, Vincent foule le tapis rouge du Festival de Cannes grâce à son rôle de Brahim dans Dheepan de Jacques Audiard, qui remporte la Palme d'Or. Il joue ensuite un hors-la-loi dans Toril, premier film de Laurent Teyssier. Il y incarne Philippe, naviguant entre trafic de cannabis et exploitation agricole. Il rejoint par la suite Bertrand Bonello pour Nocturama dans lequel il campe un terroriste préparant une vague d'attentats à Paris.

En 2018, l'acteur donne la réplique à Pierre Niney dans Sauver ou périr, drame puissant situé dans l'univers des sapeurs-pompiers de Paris.