Né à Neuilly-sur-Seine, il est le fils de Jacques Amalric, correspondant étranger au journal "Le Monde", éditorialiste à "Libération" et de Nicole Zand, critique littéraire au journal "Le Monde". Avant d'être récompensé par les Césars de meilleur espoir masculin (pour Comment je me suis disputé... (ma vie sexuelle) d’Arnaud Desplechin en 1996) et de meilleur acteur (Rois et reine du même Desplechin en 2005), Mathieu Amalric débute sa carrière en tant qu'accessoiriste et cantinier.
Ce n'est qu'en 1996 qu'elle décolle réellement grâce à son rôle de Paul Dedalus dans Comment je me suis disputé... (ma vie sexuelle). Dès lors, sa notoriété lui permet d'enchaîner les tournages (Alice et Martin de Téchiné, Fin août, début septembre de Assayas, Un homme, un vrai des frères Larrieu).
En 1997, il troque sa casquette d'acteur contre celle de réalisateur de cinéma avec la comédie Mange ta soupe. Deux autres réalisations suivent : Le Stade de Wimbledon avec Jeanne Balibar (sa compagne jusqu'au début des années 2000, dont il a 2 enfants) et La Chose publique, présenté à la Quinzaine des Réalisateurs à Cannes en 2003.
L'année suivante, de nouveau dans la peau du comédien, il incarne Ismaël dans Rois et reine. Une fois de plus, en livrant une prestation epoustouflante, Amalric est récompensé aux Césars, avec la statuette du meilleur acteur. Sa filmographie s'étoffe en rejoignant les francophones Mathieu Kassovitz, Valeria Bruni Tedeschi, Yvan Attal et Marie Josée Croze au casting de Munich de Steven Spielberg. Suivent Marie-Antoinette de Sofia Coppola, Quand j'étais chanteur de Xavier Giannoli, Fragments sur la grâce de Vincent Dieutre, Le Grand appartement de Pascal Thomas et Michou d'Auber de Thomas Gilou.
En 2007, il émeut les spectateurs dans Le Scaphandre et le papillon où il tient le rôle de Jean-Dominique Bauby, rédacteur en chef du magazine féminin "Elle", devenu paraplégique après un accident vasculaire. Cette même année, on le retrouve dans La Question humaine de Nicolas Klotz, la sulfureuse Histoire de Richard O. de Damien Odoul et Un secret de Claude Miller.
