Il effectue sa scolarité à l'École des Roches à Verneuil-sur-Avre et étudie au Centre international de Valbonne.
Il suit les cours de la chanteuse Suzanne Sorano et les cours d'acrobatie de l'École du cirque d'Annie Fratellini. Il prend des cours de comédie à l'Actors' Institute de New York et à Atelier Blanche Salant & Paul Weaver- Atelier International de Théâtre. Puis, à Paris, il rejoint le Grenier Maurice Sarrazin, le cours de Maurice Sarrazin, fondateur du Grenier de Toulouse.
Il fait ses débuts à l'écran avec Les Clés du Paradis de Philippe de Broca en 1991. Il se fait ensuite connaître du grand public avec le rôle de Vinz qu'il incarne dans La Haine de Mathieu Kassovitz en 1995, obtenant une nomination pour le César du meilleur espoir masculin et le César du meilleur acteur la même année.
C'est sur le tournage de L'Appartement, l'année suivante, qu'il rencontre sa future femme, l'actrice Monica Bellucci. Il interprète en 1997 un rôle de travesti dans Embrasse-moi Pasqualino ! (Come mi vuoi, littéralement Comme tu me veux), une comédie dramatique franco-italienne de Carmine Amoroso. Il joue le personnage principal du film Dobermann, réalisé par Jan Kounen, la même année, avec Monica Bellucci. Vincent Cassel fait également partie des comédiens doublant la voix de Hugh Grant dans les versions françaises de ses films.
Il tourne dans de grosses productions en 2000 avec Le Pacte des loups et Les Rivières pourpres, où il retrouve son compère Mathieu Kassovitz. En 2001, il obtient une deuxième nomination aux César pour son rôle d'ancien détenu dans Sur mes lèvres de Jacques Audiard.
Il intègre la saga Danny Ocean en interprétant le Français François Toulour dans Ocean's Twelve en 2004, puis il reprend son rôle dans le dernier volet de la trilogie en 2007, Ocean's Thirteen. En 2008, sort le diptyque Mesrine, L'Instinct de mort et L'Ennemi public {{numéro}}1, où il interprète le rôle du célèbre gangster Jacques Mesrine. Cette performance lui vaut le César du meilleur acteur lors de la cérémonie 2009{{,}}{{,}}.
En 2010, il est à l'affiche du film Notre jour viendra de Romain Gavras, dans lequel il apparaît le crâne et les sourcils complètement rasés pour les besoins du rôle.
En 2011, il incarne un chorégraphe tyrannique dans Black Swan de Darren Aronofsky aux côtés de Natalie Portman.
En 2011, il réalise un spot de sensibilisation avec Jan Kounen dénonçant la déforestation en Amazonie et les impacts du barrage de Belo Monte. Depuis 2012, Cassel réside avec sa famille à Rio de Janeiro.
En 2012, l'acteur continue de doubler le célèbre personnage Diego dans L'Âge de glace 4.
Il va s'orienter ensuite vers des films internationales comme dans le thriller Trance (film, 2013) réalisé par le britannique Danny Boyle. Puis il joue dans La Belle et la Bête où il incarne la bête.
2015 est une année chargée pour l'acteur qui est à l'affiche de 5 films. Il joue dans Partisan, Enfant 44 avec l'acteur britannique Tom Hardy. Il va enchaîner ensuite avec Un moment d'égarement où il retrouve Jean-François Richet sept ans après Mesrine : l'ennemi public n° 1. Il prête sa voix au renard dans Le Petit Prince adapté du roman de Antoine de Saint-Exupéry. Il joue également dans le film Tale of Tales de l'italien Matteo Garrone. Il est l'une des grandes vedettes du Festival de Cannes avec deux films en sélection offcielle: Tale of Tales et Mon roi de Maïwenn où il joue au côté d'Emmanuelle Bercot. Il est d'ailleurs nominé pour le César du meilleur acteur pour le film Mon roi en 2016.