C'est la rencontre avec Jean Douchet qui sauve le jeune Xavier d'un destin moribond. Le critique incite le jeune homme à s'investir dans sa passion : le cinéma. Il finit par devenir assistant-réalisateur d'André Techiné sur le film Les Innocents (1987). Après s'être forgé la main sur quelques courts, Xavier écrit, réalise et joue dans son premier long : Nord (1991). Mais c'est en 1995 que le cinéaste va se révéler aux yeux du monde : N'oublie pas que tu vas mourir avec Chiara Mastroianni obtient le prix du Jury à Cannes ainsi que le prix Jean Vigo en 1995. Cette chronique sur un jeune séropositif reçoit le soutien de beaucoup de critiques.
Parallèlement, Xavier Beauvois fait aussi l'acteur chez Jacques Doillon (Ponette), Jean-Paul Salomé (Les femmes de l'ombre), Roschdy Zem (Mauvaise foi), André Téchiné (Les témoins)... Il revient derrière la caméra pour Selon Matthieu en 2001 avant de se faire reamrquer, une fois de plus, avec le policier Le Petit Lieutenant, drame intimiste avec Jalil Lespert en Starsky rempli d'illusions sur son métier. Nommé plusieurs fois aux César, le film permet à Nathalie Baye d'obtenir celui de la meilleure actrice pour son rôle de flic alcoolique blessée.
C'est pour Benoît Jacquot et son adaptation du roman de Pascal Quignard que Xavier revient faire l'acteur pour incarner Thomas dans Villa Amalia avec Isabelle Huppert. Cette parenthèse refermée, il se penche alors sur un sujet ardu mais ô combien fascinant, celui des moines de Tibhirine, assassiné à la fin des années 90. Ce fait divers donne corps à Des Hommes et des Dieux, film qui obtient le prestigieux Grand Prix à Cannes, en 2010.