Né le 1^er mars 1969 en Espagne dans une famille imprégnée du milieu artistique : sa mère est comédienne, tout comme deux de ses frères et sœurs, et son oncle est réalisateur. Mais davantage intéressé par la peinture, il ne fait des apparitions à l'écran que pour financer ses études d’art plastique. Débute par des séries TV, du théâtre et joue au rugby dans l’équipe nationale de son pays. Débute au cinéma dans Les Amours de Lulu de José Juan Bigas Luna, qui lui offre ensuite le rôle principal de Jambon, Jambon, aux côtés de la toute jeune Penélope Cruz. Ce rôle l’élève au statut de sex-symbol, qu’il utilise au cours des deux films suivant, toujours du même réalisateur : Macho et La Lune et le Teton. Fidèle, il tourne aussi deux films avec Pedro Almodovar : Talons aiguilles et En chair et en os, et également avec Manuel Gomez Pereira : Bouche à Bouche et Entre les jambes. C’est ensuite à Julian Schnabel de le diriger dans Avant la nuit, dans le rôle de l’écrivain Reinaldo Arenas qui lui vaut une nomination à l’Oscar et au Golden Globe du meilleur acteur. En 2004, il sera le bouleversant Ramon Sampedro dans Mar Adentro (qui lui vaut son troisième Goya du meilleur acteur après Bouche à Bouche et Les Lundis au soleil), devant la caméra de Alejandro Amenabar. C’est ainsi qu’il parfait son image aux Etats-Unis et entame une carrière classe internationale en tournant sous l'égide de Milos Forman, Mike Newell, des frères Coen et de Woody Allen : Les Fantômes de Goya, L’Amour au Temps du Choléra (dans un rôle aussi convoité par Johnny Depp), No Country for Old Men (sa performance terrifiante est récompensée par le prix du meilleur second rôle aux Oscar, aux Golden Globes et aux BAFTA, et, depuis, il est ami avec Josh Brolin) et Vicky Cristina Barcelona (qui marque ses retrouvailles avec Penélope Cruz avec qui il est en couple depuis). En 2005, il est membre du Jury du Festival de Cannes, et en 2010, il reçoit le prix d’interprétation masculin au Festival de Cannes pour son rôle dans Biutiful d’Alejandro Gonzalez Inarritu. Il avait été envisagé pour jouer Guido dans Nine, rôle finalement obtenu par Daniel Day-Lewis, et Bretton James dans Wall Street 2, qui est finalement joué par Josh Brolin. La même année, il partage l’affiche de l’adaptation du best-seller Mange, prie, aime avec Julia Roberts.

Il est de retour en 2012 dans le rôle du méchant Silva, pour le plus grand plaisir de son coiffeur (et le nôtre) dans le nouveau James Bond : Skyfall puis, dans un registre totalement différent, il est le prêtre qui s'interroge sur sa foi dans A la Merveille de Terrence Malick.

Il partage avec Geoffrey Rush, Jamie Foxx, Philip Seymour Hoffman, Daniel Day-Lewis, Heath Ledger et Christoph Waltz l'exploit d'avoir  gagné l’Oscar, le BAFTA, le Critics’ Choice, le Golden Globe et le SAG pour le même rôle, celui de No Country for Old Men.

Ses 5 films espagnols cultes sont : Bienvenido, Mister Marshall ! (Berlanga), Mar Adentro (de Amenabar, film dans lequel il tient le rôle principal), Placido (Berlanga), Viridiana (Bunuel) et El Verdugo (Berlanga).

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