Après des études de journalisme, Wagner Moura décide finalement de devenir comédien. Il débute au théâtre à Salvador avant de décrocher un petit rôle en 2001 dans Avril brisé de Walter Salles. Il enchaîne ensuite les tournages dans son pays natal, devenant rapidement une valeur sûre du cinéma brésilien. Il rejoint ainsi le casting du remarqué Carandiru qui retrace les évènements du massacre ayant eu lieu dans la prison de Sao Paulo en 1992. Il joue aussi dans Marchand sur les nuages de Vicente Amorim et en 2005, il incarne un marin pris dans un complexe triangle amoureux dans le long-métrage multi-récompensé de Sergio Machado, Bahia, ville basse.

2007 est une année importante pour la carrière de l'acteur. Sa participation à la telenovela "Paraiso Tropical" fait de lui une véritable star au Brésil. Il brille également au théâtre dans une nouvelle adaptation de "Macbeth" de Shakespeare. Mais c’est son rôle de flic chevronné et déterminé dans Troupe d’élite qui le fait connaître à l’étranger. Cette plongée dans l’univers corrompu des favelas devient rapidement numéro 1 du box-office brésilien et remporte l’Ours d’or à la Berlinale 2008.

Wagner Moura retrouve le réalisateur José Padilha deux plus tard pour tourner la suite du film (Troupe d’élite : l’ennemi interieur) qui rencontre le même succès. En 2012, le comédien change de registre avec le drame A Cadeira do pai et le blockbuster américain de Neill Blomkamp, Elysium, dans lequel il interprète le méchant aux côtés de Matt Damon et Jodie Foster. En 2016, la notoriété de l'acteur grimpe en flèche grâce à son incarnation fiévreuse du célèbre narcotrafiquant Pablo Escobar dans la série Netflix Narcos.

Fort de ce succès, l'acteur est davantage sollicité. Au cinéma, il trouve des rôles de premier plan dans le thriller Cuban Network, le biopic Sergio, le film d'action Civil War et le policier L'Agent secret, pour lequel il reçoit le Prix d'interprétation masculine au festival de Cannes 2025. En parallèle, il reprend son personnage de Pablo Escobar le temps de deux épisodes de Narcos: Mexico et joue deux rôles réguliers dans Shining Girls et Dope Thief.