Petit dernier d'une famille protestante et fils d'un homme d'affaires, Pascal Greggory intègre à 12 ans la chorale de l'Opéra de Paris. Elève au cours Périmony puis auditeur libre au Conservatoire, il apparaît au cinéma dans Docteur Françoise Gailland en 1975 avant d'interprèter le fils puceau de Klaus Kinski dans Madame Claude en 1977. Il fait bientôt deux rencontres décisives : André Techiné, qui confie à ce débutant le rôle-clé du frère des Soeurs Brontë (face aux stars Huppert-Adjani-Pisier) en 1979, et Eric Rohmer. Celui-ci le dirige au théâtre, puis dans Le Beau Mariage, et en fait un des héros de Pauline à la plage (1983), dans lequel il disserte et flirte aux côtés d'Arielle Dombasle. Fidèle à ses acteurs, le maître de la Nouvelle Vague le recontactera en 1993 (L'Arbre, le maire et la médiathèque).

Après une longue éclipse au milieu des années 80, Pascal Greggory, papillon de nuit qui ne se reconnaît pas dans l'image de sage éphèbe forgée par ses premiers films, retrouve goût à son métier grâce à Patrice Chéreau, rencontré en 1987, et qui devient alors son mentor. Leur collaboration embrasse théâtre (Dans la solitude des champs de coton, 1995) et cinéma (La Reine Margot puis Ceux qui m'aiment prendront le train en 1998), et culminera à l'écran avec Gabrielle (2005), dans lequel l'acteur impressionne en mari bourgeois abandonné par Isabelle Huppert.

A partir des années 1990, Pascal Greggory, acteur libre et libéré, fait preuve d'audace et d'éclectisme dans ses choix : saisissant en taulard musclé (Zonzon de Laurent Bouhnik, 1998), drôle en indécis chronique (La Confusion des genres avec à la clé une nomination au César du Meilleur acteur en 2001), pathétique en père bègue dans Pardonnez-moi (2006), le raffiné Gréggory se montre à l'aise dans les films d'époque, de Jeanne d'Arc au Temps retrouvé. Ne dédaignant pas l'action (Nid de guêpes) ni les grosses productions (il est l'imprésario de La Môme-Cotillard en 2007), il garde une préférence pour un cinéma plus personnel, celui de Zulawski (La Fidélité) ou Doillon (sa prestation dans Raja en 2003 est des plus remarquée), lui qui déclara à Libération : "Dans ma vie, j'ai raté tous les trucs officiels (...) Je préfère être dans la marge, là où il y a davantage d'air pour respirer."

En 2009, il est tour à tour à l'affiche de Nuit de chien de Werner Schroeter, Clara de Helma Sanders-Brahms ou Rien de personnel de Mathias Gokalp dans lequel il donne la réplique à Jean-Pierre Darroussin et Denis Podalydès. Il confirme son goût pour le cinéma d'auteur en renouvelant sa collaboration avec Jacques Doillon en 2010 dans Le Mariage à trois, puis en tournant dans L'Enfance du mal de Olivier Coussemacq, Quartier lointain de Sam Garbarski, Bye Bye Blondie de Virginie Despentes, Mon amie Victoria de Jean-Paul Civeyrac, Le Dos rouge d'Antoine Barraud et Tout de suite maintenant de Pascal Bonitzer. Dans ce dernier, le natif de Paris donne la réplique aux très en vogue Agathe Bonitzer et Vincent Lacoste. Il change ensuite de registre avec deux thrillers : Le Serpent aux mille coupures, porté par Tomer Sisley, et 9 doigts, un film sombre et expérimental tourné en noir et blanc.

A noter aussi ses rôles côté petite lucarne dans la série de science-fiction et d'action Section Zéro (2016) et la mini-série policière Glacé (2016 - 2017), dans laquelle Charles Berling mène l'enquête.

Privilégiant constamment les films à taille humaine, Pascal Greggory n'est jamais à l'affiche de blockbusters et autres comédies populaires. En témoignent ses prestations dans l'intrigant thriller L'Heure de la sortie (2019) avec Laurent Laffite, la romance Doubles Vies (id.) d'Olivier Assayas, le drame Frankie (id.) d'Ira Sachs (porté par quelqu'un qu'il connaît bien en la personne d'Isabelle Huppert), le film d'aventures sino-malaisien 3 Aventures de Brooke (2020) de Yuan Qing ou encore le drame Notre-Dame du Nil de Atiq Rahimi. En 2022, il joue le père de Léa Seydoux atteint de la maladie d'Alzheimer dans le drame de Mia Hansen-Løve Un beau matin. Prochainement, le comédien apparaîtra aux côtés de Johnny Depp dans le film en costumes Jeanne du Barry réalisé et interprété par Maïwenn, qui se centre sur l'histoire de Jeanne du Barry, la maîtresse de Louis XV.