Kim Rossi Stuart fait ses débuts au cinéma, dès cinq ans, aux côtés de Catherine Deneuve dans la Grande Bourgeoise de Mauro Bolognini. Après avoir étudié le théâtre, et suivi les cours de l'Actot Studio à New York il décroche un petit rôle dans Le Nom de la Rose de Jean-Jacques Annaud. En 1987, il joue le rôle principal du film Il ragazzo dal kimono d'oro de Fabrizio De Angelis. C'est la série télé et le film italien Fantaghiro et Poliziotti qui lui permettent de se faire connaître du grand public.
C'est sa prestation dans Senza pelle d'Alessandro D'Alatri en 1994 lui apporte, elle, la reconnaissance de la critique.
Depuis, il enchaîne les rôles auprès de cinéastes italiens reconnus comme Michelangelo Antonioni, Roberto Benigni ou Gianni Amelio.
En 2003, il joue Lucignolo dans le Pinocchio de Roberto Benigni. L'année suivante il interprète Gianni dans le très émouvant Le Chiavi di casa (Les clefs de la maison) de Gianni Amelio. Il sera d'ailleurs nominé pour le Prix David Di Donatello pour ce film
Nouveau changement de registre en 2006, avec le film noir italien Romanzo Criminale réalisé par Michele Placido, dans lequel il interprète Freddo.
2006 est une année charnière pour Kim Rossi Stuart puisque il se lance avec grand succès dans la réalisation en mettant en scène le très beau film Libero dans lequel il tient également un des rôles principaux.
