Matt Bomer grandit au Texas, dans une famille de 3 enfants. Une fois diplômé en art dramatique de l'université Carnegie Mellon de Pittsburgh, il s'installe à New York, où il se consacre au théâtre durant quelques années. Fort de cette expérience sur les planches, il obtient ses premiers rôles sur le petit écran dans les soaps La Force du destin et Haine et Passions, puis poursuit en 2003 avec la première saison de Tru Calling : compte à rebours. Il y interprète le petit ami de Tru Davies (Eliza Dushku), une étudiante en médecine qui revit la dernière journée des morts qui lui demandent de l’aide.

À l’affiche en 2005 de son premier long métrage, Flight Plan, avec Jodie Foster et Peter Sarsgaard, Bomer décroche ensuite, en 2007, l’un des rôles principaux de la série Traveler : ennemis d’Etat, qui est malheureusement rapidement annulée, puis est choisi pour jouer l’espion Bryce Larkin dans Chuck. Un personnage peu présent mais à l’importance capitale puisque c’est lui qui est à l’origine du transfert de l’Intersect dans la tête de Chuck Bartowski (Zachary Levi). En parallèle, l’acteur américain, qui commence à faire parler de lui, joue également dans le film d’horreur Massacre à la tronçonneuse : le commencement, face à Jordana Brewster.

C’est finalement en 2009 que Matt Bomer voit sa carrière prendre une nouvelle dimension, grâce à la série d’USA Network FBI : duo très spécial. Co-vedette du show avec Tim DeKay, il incarne Neal Caffrey, qui sous ses airs de charmant gentleman, cache en réalité un faussaire et voleur très rusé. Arrêté par Peter Burke, il accepte, en échange de sa liberté, d’aider le FBI à coincer les criminels. N’abandonnant pas pour autant le grand écran, le comédien continue d’étoffer sa carrière cinématographique avec Time Out d’Andrew Niccol et Magic Mike, plongée dans le milieu du strip-tease masculin signée Steven Soderbergh, dans lequel il est Ken, l’un des héros, aux côtés de Channing Tatum, en 2012.

Après six saisons, FBI : duo très spécial s'arrête en 2014 mais Bomer ne tarde pas à retrouver du travail, que ce soit avec le mélodrame Un amour d'hiver, porté par Colin Farrell, ou le film de science-fiction Space Station 76. Il continue également de tourner pour la télévision américaine et figure notamment au casting du téléfilm The Normal Heart de Ryan Murphy, relatant la montée en puissance du virus du sida dans les années 1980, ainsi que d’un épisode de American Horror Story : Freak Show.

En 2015, Matt Bomer retrouve son personnage de strip-teaseur pour Magic Mike XXL, réalisé par Gregory Jacobs. Il s’illustre ensuite à nouveau sur le petit écran en participant à American Horror Story : Hotel, la cinquième saison du show anthologique de la chaîne FX, qui le voit prêter ses traits à Donovan, un client de l’hôtel tenu par Lady Gaga. Parallèlement à cette nouvelle aventure télévisuelle, le beau gosse fait partie de la distribution de plusieurs productions prestigieuses, dont un remake des Sept mercenaires signé Antoine Fuqua, ou encore The Nice Guys de Shane Black, dans lequel il donne la réplique à Ryan Gosling et Russel Crowe.