Fils d'une infirmière et d'un employé de banque, Benoît Magimel grandit à Paris. A l'âge de 12 ans, il répond à une annonce de casting qui lui permet de décrocher le rôle principal de la comédie à succès de Etienne Chatiliez  La Vie est un long fleuve tranquille. Il y est Momo, enfant issu de la bourgeoisie élevé par erreur au sein d'une famille de prolétaires. Ayant arrêté ses études à 16 ans pour se consacrer définitivement au métier de comédien, il incarne en 1995 le fiancé de Virginie Ledoyen dans La Fille seule (1995) et fait une apparition dans La Haine.

C'est André Techiné qui relance la carrière de Benoît Magimel en lui confiant le rôle d'un voyou, face à Daniel Auteuil et Catherine Deneuve, dans Les Voleurs en 1996. Le gamin insolent des années 80 devient l'un des jeunes premiers les plus sollicités du cinéma français. Il tourne avec la nouvelle génération de cinéastes, comme Olivier Dahan (Déjà mort) et Florent Emilio Siri (Une minute de silence, un drame social dans lequel il interprète un mineur polonais). Benoît Magimel affectionne d'ailleurs les rôles de composition, puisqu'on le retrouve en Alfred de Musset dans Les Enfants du siècle avec celle qui est alors sa compagne, Juliette Binoche et en Louis XIV dans Le Roi danse.

Avec intensité et sens de la nuance, le fiévreux Magimel incarne l'amant de Nathalie Baye dans Selon Matthieu de Xavier Beauvois et celui d'Isabelle Huppert dans La Pianiste de Michael Haneke, une œuvre dérangeante qui lui vaut le Prix d'interprétation masculine au Festival de Cannes. Et lorsque Claude Chabrol, maître du polar à la française, s'intéresse à la jeunesse, dans La Fleur du mal (2003) puis La Demoiselle d'honneur, c'est à  Benoît Magimel qu'il confie le rôle principal, celui d'un garçon écartelé entre raison et passion. Loin de se cantonner aux films d'auteur, il tourne dans le tendre Effroyables jardins et s'impose même comme une des vedettes du cinéma à grand spectacle : à l'affiche de Nid de guêpes de son complice Florent Emilio Siri en 2001, il forme des tandems de choc avec Jean Reno dans Les Rivières pourpres 2 (2003) puis Clovis Cornillac dans Les Chevaliers du ciel (2005).

En 2007, Benoît Magimel incarne des rôles plus noir notamment dans le film de Frédéric Schoendoerffer, Truands, où il joue Franck l'homme de confiance et tueur de Philippe Caubère. Il retrouve ensuite Florent Emilio Siri pour un troisième film, L'Ennemi intime, avant de rejoindre Claude Chabrol pour La Fille coupée en deux aux côtés de Ludivine Sagnier et François Berléand. L'année 2008 confirme son goût pour les sujets plus troubles et les films d'auteurs avec Inju, la bête dans l'ombre, un thriller de Barbet Schroeder sélectionné pour la 65ème Mostra de Venise. Dans La Possibilité d'une île (2008), écrit et adapté à l'écran par Michel Houellebecq, il incarne le personnage principal, Daniel, plongé au coeur d'un sombre conte philosophique.

Après celle d'un homme d'affaires rongé par la culpabilité dans Sans laisser de traces (2009) aux côtés de François-Xavier Demaison, Magimel se glisse dans la peau d'un quarantenaire en plein doute sur sa sexualité dans Les Petits mouchoirs (2010) de son ami Guillaume Canet. La même année, il est également ami avec Edouard Baer devant la caméra de Marc Esposito, et un avocat piégé par la mafia dans L'Avocat réalisé par Cédric Anger. En 2011, il s'illustre dans le registre du film d'action dans Forces Spéciales de Stéphane Rybojad, au côté de Diane Kruger.

La même année, Benoît Magimel renoue avec le drame en incarnant un homme devant faire face à la disparition soudaine de son épouse dans Des vents contraires, le deuxième film comme réalisateur de Jalil Lespert adapté du roman éponyme d'Olivier Adam. A l'aise dans une multitude de registres, l'acteur se glisse ensuite dans la peau de Paul Lederman, l'imprésario de Claude François dans le biopic réalisé sur ce dernier par Florent Emilio Siri. Pour ce rôle, Benoît Magimel prend du poids et apparaît totalement méconnaissable sous les traits de l'homme derrière l'artiste. Son interprétation lui permet de récolter une nomination au César du meilleur second rôle masculin.

S'il ne remporte pas la récompense, le comédien continue d'enchaîner les films aussi bien dans le drame (Pour une femme) que dans le polar (La French, dans lequel il retrouve ses acolytes des Petits Mouchoirs, Jean Dujardin et Gilles Lellouche). En 2015, Benoît Magimel est sur plusieurs fronts. Tout d'abord dans La Tête haute d'Emmanuelle Bercot qui fait l'ouverture du Festival de Cannes puis dans On voulait tout casser, comédie sur l'amitié masculine où il donne la réplique à Kad Merad et Charles Berling. On le retrouve également à la fin de l'année, huit ans après "Truands", dans le nouveau thriller de Frédéric Schoenderffer, Le Convoi.

Privilégiant le thriller, Benoît Magimel retrouve Emmanuelle Bercot pour La Fille de Brest, centré sur l'affaire du Mediator. Il campe également un tueur à gages effrayant dans Money et un patron d'entreprise en faillite dans Carbone (inspiré de l’arnaque à la TVA). Parallèlement, il incarne le personnage principal de la série politique Marseille, aux côtés de Gérard Depardieu. Le natif de Paris reprend aussi son rôle de Vincent dans Nous finirons ensemble, puis joue deux personnages touchants dans les drames Lola vers la mer et Une fille facile. Aimant travailler plusieurs fois avec les cinéastes qu'il aime, il prend part au thriller Amants de Nicole Garcia et joue un fils condamné par la maladie dans De son vivant d'Emmanuelle Bercot. Une prestation qui lui permet d'obtenir le César du Meilleur Acteur.

Tournant beaucoup, le natif de Paris livre deux hilarantes prestations dans Incroyable mais vrai et Jack Mimoun et les secrets de Val Verde, joue un sympathique survivant d'attentat dans Revoir Paris d'Alice Winocour et incarne un Haut-Commissaire de la République à Tahiti dans l'original film d'espionnage Pacifiction - Tourment sur les Îles (une prestation qui lui vaut le César du meilleur acteur).