Mathieu Amalric nasce a Neuilly-sur-Seine (Francia), un sobborgo parigino, il 25 Ottobre 1965, i genitori sono giornalisti, la madre è critico letterario per Le monde, e il padre direttore ed editorialista per gli affari esteri dei quotidiani Le monde e Libération.
Il suo debutto sul grande schermo risale al 1984 con film Les favoris de la lune, ma è il regista Arnaud Desplechin, il primo a sfruttare appieno il viso inquieto e la fisicità dell’attore, nel 1992 lo vuole per Le sentinelle, e quattro anni dopo, con Comment je me suis disputè…(Ma vie sexuelle), lo aiuta a conquistarsi un premio Cesar come miglior promessa del cinema francese.
La promessa viene mantenuta, l’attore dimostra appieno il suo talento in divenire negli anni successivi, lo vedremo con Juliette Binoche in Alice e Martin e in L’amour d’enfance di Yves Caumon. Nel 2004 torna sotto la direzione di Desplechin ne I re e la regina, tra cinema e teatro il dramma di due vite parallele agli antipodi.
Nel 2005 Steven Spielberg lo vuole per il suo Munich, nel 2006 è nella commedia corale Il grande appartamento e l’anno dopo il successo internazionale che lancia Amalric come star globalizzata, il dramma Lo scafandro e la farfalla, un personaggio estremo per l’attore che tocca le corde giuste e convince.
Nel 2008 è Dominic Green, il villain di lusso della seconda avventura di James bond/Daniel Craig, 007-Quantum of solace, l’anno dopo è nella commedia corale diretta da Arnaud Desplechin Racconto di Natale dove spicca su un cast di stelle d’oltralpe. Dal 17 Aprile 2009 nei cinema italiani la seconda parte della biografia crime Nemico pubblico n.1-L’ora della fuga, l’attore affiancherà Vincent Cassel per raccontare le gesta del famigerato criminale francese Jacques Mesrine.