Mathieu Amalric est le fils de Jacques Amalric, correspondant étranger au journal Le Monde et éditorialiste à Libération, et de Nicole Zand, critique littéraire au journal Le Monde. Il a eu deux enfants avec Jeanne Balibar dont il s'est séparé au début des années 2000. Après s'être essayé aux classes préparatoires littéraires, il commence le cinéma comme accessoiriste et cantinier. En 1987, il est stagiaire à la mise en scène du film Au revoir les enfants de Louis Malle. En 1996, il est remarqué dans Le Journal du séducteur de Danielle Dubroux. Il joue ensuite, le rôle de Paul Dedalus dans Comment je me suis disputé...