Nació en 1969 en España. Proviene de una familia de actores muy reconocidos en su país natal, sus abuelos Rafael Bardem y Matilde Muñoz, su madre Pilar Bardem y además su tío el director de cine Jan Antonio Bardem.
Antes de dedicarse al cine realizó múltiples actividades, jugó en la selección española de rugby, estudió pintura en la Escuela de Artes y Oficios y después quiso dedicarse al cine.
A los 11 años apareció en El poderoso influjo de la luna de Antonio del Real, cinta protagonizada por su madre, Pilar.
En 1994 ganó el Fotograma de Plata por su actuación en Huevos de oro. Ese mismo año ganó el premio al Mejor Actor en el Festival de San Sebastián por Días contados y El detective de la muerte, también obtuvo el premio Fernando Rey a la Mejor Interpretación por Días contados.
Entre su filmografía destacan: Boca a boca, Carne trémula, Antes que anochezca, Mar adentro, La teta y la luna, Jamón, jamón, Tacones lejanos, Vicky Cristina Barcelona y El amor en los tiempos del cólera, entre otras.
En 2007 ganó el Oscar en la categoría de Mejor Actor de Reparto, por la cinta Sin lugar para los débiles dirigida por los hermanos Coen.
En 2008, actúa en Vicky, Cristina, Barcelona, bajo la dirección del afamado cineasta Woody Allen.