Timothy Simon Smith est né à Londres. Sa mère Ann est enseignante et peintre paysagiste et son père, Ernie, journaliste. C’est lui qui change leur nom de famille en Roth. Tim fréquente le Camberwell Art College et étudie la sculpture avant d’opter pour une carrière d’acteur. C’est aussi un photographe amateur très doué.
Il décroche ses premiers rôles dans des fictions télévisées de qualité : Made in Britain (1982), Meantime (1984) dirigé par Mike Leigh. Il fait ses débuts au cinéma dans The hit de Stephen Frears (1984), puis est remarqué pour son interprétation fulgurante de Vincent Van Gogh dans Vincent & Théo de Robert Altman et son rôle dans Rosencrantz & Guildenstern de Tom Stoppard.
Il est nommé aux Oscars pour Rob Roy (1995), on se souvient du pilleur de banque à l’agonie dans Réservoir dogs (1992), du psychopathe de Pulp fiction (1994). Il interprète aussi des personnages plus humains (Little Odessa, 1994) voire drôles (Grilrock'd avec Tupac Shakur en 1997) ou romantiques (Tout le monde dit I love you de Woody Allen en 1996).
Roth passe à la réalisation, faisant des débuts remarqués en 1999 avec The war zone, interprété par Ray Winstone et Tilda Swinton. S’attaquant au sujet délicat de l’inceste, le film est salué unanimement par la critique et reçoit des récompenses, notamment, aux European Film Awards (Découverte de l’année), au Festival d’Edimbourg (Meilleur 1er Long-métrage Britannique) et au Festival de Berlin, pour ne citer que ces 3.
Il n’a jamais cessé de travailler avec plus de 70 films ou téléfilms à son actif. En 2008, il est à l'affiche du remake américain de Funny Games avec Naomi Watts, et incarne l'ennemi d'Edward Norton dans Hulk.
Chouchou du festival de Cannes, Roth a été 2 fois membre du jury - en 2006 dans le jury officiel et en 2004 pour la Caméra d’or. Il est marié et a 3 enfants.
A partir de 2009, on le retrouve à l'affiche de la série Lie to me dans laquelle il tient le rôle principal, celui du Dr Cal Lightman, scientifique spécialiste dans la détection des mensonges... et des menteurs !
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