Il a étudié au Centre international de Valbonne. Il suit les cours de la chanteuse Suzanne Sorano et les cours d'acrobatie de l'École du cirque d'Annie Fratellini. Il prend des cours de comédie à l'Actors' Institute de New York et à l'Atelier international de théâtre. Puis, à Paris, il entre dans la troupe de Jean Périmony. Ses débuts à l'écran se font avec Les Clés du Paradis de Philippe de Broca en 1991. Il se fait ensuite connaître du grand public avec le rôle de Vinz qu'il incarne dans La Haine de Mathieu Kassovitz en 1995, obtenant une nomination pour le César du meilleur espoir masculin et le César du meilleur acteur la même année. C'est sur le tournage de L'Appartement, l'année suivante, qu'il rencontre sa future femme, l'actrice Monica Bellucci. Il interprète en 1997 un rôle de travesti dans Embrasse-moi Pasqualino (Come mi vuoi, “comme tu me veux”), une comédie franco-italienne de Carmine Amoroso. Vincent Cassel fait également partie des comédiens doublant la voix de Hugh Grant dans les versions françaises des films. Il tourne dans de grosses productions en 2000 avec Le Pacte des loups et Les Rivières pourpres, où il retrouve son compère Matthieu Kassovitz. En 2001, il obtient une deuxième nomination aux Césars pour son rôle d'ancien détenu dans Sur mes lèvres de Jacques Audiard. Il intègre la saga Danny Ocean en interprétant le Français François Toulour dans Ocean's Twelve en 2004, puis il reprend son rôle dans le dernier volet de la trilogie en 2007, Ocean's Thirteen. En 2008, sort le diptyque Mesrine, L'Instinct de mort et L'Ennemi public no 1, où il interprète le rôle du célèbre gangster Jacques Mesrine. Cette performance lui vaut le César du meilleur acteur lors de la cérémonie 2009. Pour le cinéma américain, il incarne souvent le rôle du méchant comme dans Ocean's Twelve, Ocean's Thirteen ou Les Promesses de l'ombre en 2007. En 2011, il incarne un chorégraphe tyrannique dans Black Swan de Darren Aronofsky aux côtés de Natalie Portman.