Né à Caracas en 1977, Edgar Ramirez passe sa jeunesse entre différents pays, au fil des affectations de son père attaché militaire. Du Canada à l'Italie, il vit même une année entière en Autriche. De ce fait, il parle couramment cinq langues : l'anglais, l'espagnol, le français, l'italien et l'allemand. Diplômé en journalisme, il se spécialise dans la communication politique et se destine à être diplomate en travaillant, notamment, pour l'Organization of American States ou Amnesty International.

Pourtant, Edgar Ramirez change complètement de voie dès 2002 en participant à plusieurs films vénézuéliens et surtout au soap opera "Cosita rica" qui lui vaut la reconnaissance dans son pays natal. Deux ans plus tard, il joue dans le film Punto y Raya que le Venezuela soumet à l'Oscar du meilleur film étranger. C'est grâce à ce dernier film qu'il est découvert par Tony Scott. Celui-ci lui propose immédiatement un des rôles principaux de son drame d'action Domino, qui marque la première incursion du comédien dans le cinéma américain.

Par la suite, il continue à tourner au Venezuela, mais également aux États-Unis où il participe à de grosses productions telles que La Vengeance dans la peau (2007), Angles d'attaque (2008) et La Colère des Titans (2012). A côté de ces blockbusters, l'acteur est à l'affiche de films plus politiques, comme les deux volets du biopic de Steven Soderbergh consacré au Che (2009), et surtout l'évènement Carlos, mini-série d'Olivier Assayas pour Canal +, également sorti au cinéma après avoir été présenté Hors Competition lors du Festival de Cannes 2010. Son interprétation du célèbre terroriste lui vaut, en 2011, le César du Meilleur jeune espoir masculin.

Grâce à la notoriété mondiale obtenue avec ce rôle, le comédien est en mesure de tenir un film sur ses épaules. Ainsi, en 2011, Edgar Ramirez est le héros du thriller F.A.R.C. L'instrument de la vengeance et, l'année suivante, il partage l'affiche du drame franco-argentin À cœur ouvert avec Juliette Binoche. En 2014, il fait équipe avec Eric Bana pour les besoins du film d'épouvante Délivre-nous du mal avant de se glisser dans la peau de l'un des deux personnages principaux de Point Break, remake du film culte de Kathryn Bigelow. L'acteur y incarne le myhtique surfeur / philosophe / braqueur Bodhi, rôle préalablement joué par Patrick Swayze.