Philippe Torreton ne se prédestine pas immédiatement à une carrière artistique. Alors qu'il attend son dossier pour passer le concours d'inspecteur de police, le jeune homme tente le Conservatoire d'art dramatique de Paris en 1987, qu'il réussit. Puis il entre en 1990 sur les conseils de son professeur Daniel Mesguich à la Comédie Française, qu'il quittera huit ans plus tard avec fracas. Désireux de prolonger sa carrière sur grand écran, le comédien doit sa première apparition cinématographique à Claude Pinoteau en 1991 dans le drame La Neige et le feu.
Alors qu'il interprète au théâtre Le Malade imaginaire, Philippe Torreton est repéré par le réalisateur Bertrand Tavernier, qui lui offre un rôle dans son film policier L 627 (1992). Il retrouvera quelques temps plus tard le réalisateur, tout d'abord dans L'Appât en 1995 dans le rôle du chef de la police, mais surtout pour le drame Capitaine Conan (1996), plongée épique dans les horreurs de la Première Guerre mondiale, et dans lequel il tient le rôle-titre. Sa prestation lui permet de remporter l'année suivante le César du Meilleur acteur.
Tout en menant en parallèle une importante carrière théâtrale, Philippe Torreton reste fidèle à Bertrand Tavernier en devenant un émouvant et courageux instituteur pour Ca commence aujourd'hui (1999), chronique sociale ayant pour cadre une petite école communale du Nord de la France. Après avoir travaillé sous la direction de sa femme Anne-Marie Etienne dans la comédie romantique Tôt ou Tard (2000), l'acteur retrouve le registre sentimental l'année suivante auprès de Charlotte Gainsbourg dans Félix et Lola, de Patrice Leconte.
Pour Antoine de Caunes et son Monsieur N. (2002), Philippe Torreton prête ses traits à Napoléon Bonaparte lors de ses dernières années. Il interprète d'autres personnages historiques comme Jean Jaurès dans le téléfilm Jaurès, la naissance d’un géant (2005), Robert d'Artois dans Les Rois Maudits (id.), un autre téléfilm en cinq épisodes, Mazarin dans La Reine et le Cardinal, une série télévisée diffusée en 2009, ou encore Jean-Baptiste Colbert dans Jean de La Fontaine, le défi (2007), cette fois au cinéma.
Entre-temps, on retrouve le comédien dans des projets aussi variés qu'ambitieux. Il joue un père de famille pour le moins louche et troublant dans le thriller Corps à corps (2003) aux côtés d'Emmanuelle Seigner avant d'interpréter un gardien de phare bourru au grand coeur dans la comédie dramatique L'Équipier (2004).
Torreton joue ensuite les seconds rôles dans Le Grand Meaulnes (2006) et dans Banlieue 13 ultimatum (2008), et accepte de prendre part à l'impressionnant casting de l'adaptation cinématographique de la BD Tanguy et Laverdure dans Les Chevaliers du ciel (2005) de Gérard Pirès. En 2011, il est à l'affiche de deux films tirés de faits réels ou historiques : Présumé coupable, d'après la célèbre affaire Outreau, et L'Ordre et la morale, inspiré d'une authentique prise d'otages en Nouvelle-Calédonie.
Au cinéma comme à la télévision, Philippe Torreton continue de cultiver l'éclectisme qui le caractérise. Sur le petit écran, l'acteur s'illustre dans Intime Conviction, série diffusée sur Arte et sur le web, qui propose aux télespectateurs de revivre un procès mais défraie la chronique. Sur le grand, il est aussi à l'aise dans la comédie romantique (L'Art d'aimer, 2011) que dans le drame (La Pièce manquante, 2014), et garde un attrait particulier pour les films qui ont le charme de l'ancien (L'Ecume des jours, Les Enfants de la chance).
Docteur proposant un ultimatum au héros dans le thriller Trois jours et une vie (2019) et second rôle dans le biopic Simone - Le voyage du siècle (2021), Philippe Torreton goûte aussi aux joies du petit écran, que ce soit avec la série Infidèle (2019 - 2020) ou les téléfilms Mélancolie ouvrière (2017), Mystère au Louvre (id.) et La Traque (2021). Dans ce dernier, il campe l'un des tueurs en série français les plus tristement célèbres de tous les temps : Michel Fourniret.