Originaire d'un village côtier de la Province de Barcelone, Sergi Lopez suit dès l'adolescence des cours de comédie et de cirque en Espagne, avant de s'inscrire, à Paris, à l’École Internationale de Théâtre de Jacques Lecoq, dont l'enseignement est centré sur le travail corporel. C'est là que le remarque Manuel Poirier, à la recherche d'un acteur à l'accent espagnol pour La Petite Amie d'Antonio, œuvre attachante et première étape d'une longue collaboration entre le cinéaste et le comédien catalan.

En effet, les deux hommes présentent au Festival de Cannes de 1996 le road-movie bigouden Western puis se retrouvent régulièrement, notamment pour Te quiero en 2000, Les Femmes... ou les enfants d'abord... en 2001 ou encore La Maison en 2007, dans lequel l’acteur interprète un père de famille en instance de divorce. Drôle et chaleureux, ce latin lover atypique est sollicité par des réalisatrices comme Corsini (La Nouvelle Eve) et Vernoux (Rien à faire, Reines d'un jour).

En 1999, il partage le fantasme de Nathalie Baye dans Une liaison pornographique, premier film du Belge Frédéric Fonteyne. A la même période, il tourne régulièrement dans son pays natal où il est notamment dirigé à plusieurs reprises par Miguel Albaladejo et par le Catalan Ventura Pons. La consécration arrive en 2000 avec le thriller de Dominik Moll, Harry, un ami qui vous veut du bien : impressionnant dans un rôle inattendu de psychopathe, le comédien à l'air jovial décroche le César du Meilleur acteur en 2001.

Sergi Lopez prend ensuite part à des projets aussi singuliers que le western médiéval Rencontre avec le dragon ou le loufoque Janis et John. L'acteur se plaît à susciter tantôt la sympathie tantôt la crainte.

Il est choisi par Stephen Frears pour incarner l'odieux trafiquant Sneaky dans Dirty pretty things (2003), puis campe un instituteur bienveillant dans Les Mots bleus, un aveugle hédoniste dans Peindre ou faire l'amour (2005) ou encore un terrifiant capitaine franquiste dans Le Labyrinthe de Pan de Guillermo Del Toro, prestation très remarquée à Cannes en 2006. Seul en scène en 2007 avec Non solum, un spectacle qu'il co-écrit, il est en 2009 l'époux d'Alexandra Lamy dans Ricky et l'amant de Kristin Scott Thomas dans Partir.

Multipliant les projets, il retrouve Manuel Poirier pour Le Café du pont (2010), François Ozon pour Potiche (id.) et Dominik Moll pour Le Moine (2011). Egalement en 2011, c'est à nouveau dans les décors de l’Espagne franquiste qu'il évolue avec Pain noir. Il part ensuite à la recherche de sa femme sur les routes de l’émirat aux côtés de Vanessa Paradis dans l'original Dubaï Flamingo (2012), et devient un prisonnier dans Tango libre (id.). En 2013, il assiste à l’achat désastreux d’un cheval par quatre amis d’enfance dans Turf.

Tournant beaucoup, Sergi prend part au film historique Michael Kohlhaas, à la comédie La Tendresse, au thriller El niño et au drame Geronimo, dans lequel il campe le père de Céline Sallette. Il retrouve cette dernière dans Les Rois du monde, où il sort de prison et est amoureux du personnage de l'actrice. On le voit aussi dans l'étrange 21 nuits avec Pattie et le film d'aventures En amont du fleuve avec Olivier Gourmet. Il incarne ensuite le peintre dans Orpheline et le cambrioleur dans Heureux comme Lazzaro.

Se consacrant aux films indépendants avec une cadence impressionnante, l'acteur espagnol fait office de second rôle dans le drame sur la prostitution Filles de Joie, la comédie Les Parfums, le Woody Allen Rifkin's Festival, la comédie dramatique La Pièce rapportée et le thriller déjanté Petite Fleur. Il est aussi au casting de l'envoutant Pacifiction, emmené par un Benoît Magimel au sommet de son art, de la comédie La Grande Magie de Noémie Lvovsky et du nouveau film de Yolande Moreau La Fiancée du poète.