Issu d'une famille juive d'ascendance espagnole installée depuis plusieurs siècles en Turquie, Tchéky Karyo est le fils d'un chauffeur routier turc et d'une mère grecque. Il grandit à Paris, où son père s'était établi comme tailleur. Il a une sœur et un frère.
Après le lycée Arago, il entreprend des études de comptabilité et de gestion au Conservatoire national des arts et métiers, mais ce n'est pas sa voie. Il étudie l'art dramatique, il s'oriente d'abord vers le théâtre, intègre la compagnie Daniel Sorano, puis l'école du Théâtre national de Strasbourg. Il découvre alors les divers aspects du théâtre contemporain qui vont nourrir sa curiosité pour cet art du jeu qu'il cultive depuis son adolescence.
Il fait ses débuts au cinéma en 1981 où il est remarqué dans Le Retour de Martin Guerre.
Les films L’Ours, en 1988, puis Nikita, en 1990, lui donnent une renommée internationale qui lui permet de mener une carrière aux États-Unis, en jouant dans des superproductions.
En 2009 il joue le rôle d'un chef de guerre dans le {{nobr}} de la série Kaamelott.
Marié, le 21 décembre 1995, à l'actrice française Isabelle Pasco, ils n'ont pas eu d'enfant ensemble, il a ensuite divorcé.
Née d'une autre union, sa fille Liv Karyo est la maman de Daniel né en 2005.
Tcheky vit actuellement avec la comédienne Valérie Kéruzoré et leur fille Louise.