Après une courte expérience théâtrale, Marc Lavoine, en parallèle à son intense activité musicale, commence sa carrière d'acteur à la télévision, dans la série Pause-café (1981). Mais c'est deux ans plus tard qu'il apparaît pour la première fois sur grand écran, dans Frankenstein 90 d'Alain Jessua. Au générique de L'Enfer (1994) de Claude Chabrol, il tente de se détacher de son image de chanteur séducteur en jouant notamment un troublant et ambigu officier phalangiste aux côtés de Jean-Louis Trintignant dans Fiesta (1995) ou un aristocrate déluré dans Blanche (2002) de Bernie Bonvoisin.

L'ancien journaliste de Studio Marc Esposito décèle rapidement les talents de comédien de Marc Lavoine et essaie de les exploiter au mieux en l'invitant à participer au quatuor d'amis du Coeur des hommes (2003). Forts du succès remporté par ce film de potes, les deux hommes poursuivent leur collaboration avec Toute la beauté du monde (2005) et Le Coeur des hommes 2 (2007). Egalement courtisé par Neil Jordan, il joue dans L'Homme de la Riviera (2003), qui reste sa seule expérience dans le cinéma américain à ce jour.

Le brun ténébreux s'essaye également au doublage en prêtant sa voix de velours à Darkos dans la version française du film d'animation Arthur et les Minimoys (2006) de Luc Besson. Il retrouve ce personnage pour le dernier volet de la trilogie en 2010 et, entre les deux, double le fourbe Taï Lung, vilain de Kung Fu Panda (2008).

Marc Lavoine prend aussi part à quelques comédies romantiques, ainsi il succombe au charme de Carole Bouquet dans Si c'était lui... (2007) puis à celui de Barbara Schulz dans Celle que j'aime (2009) d'Elie Chouraqui qui l'avait déjà dirigé, treize ans plus tôt, dans Les Menteurs. Le comédien tourne également dans des comédies pures et est successivement à l'affiche des Meilleurs amis du monde de Julien Rambaldi (2010) et des Tribulations d'une caissière (2011) réalisé par le frère de ce dernier, Pierre Rambaldi.

Cependant, avec Liberté (2010) de Tony Gatlif, Marc Lavoine aborde une thématique nettement plus grave et tragique, puisqu'il porte sur ses épaules un film évoquant le sort tragique réservé aux Roms et Tsiganes par le régime Nazi. Il change encore une fois de registre, deux ans plus tard, en incarnant son premier vrai méchant de cinéma (hors films d'animation) : un policier corrompu dans Mains armées de Pierre Jolivet.

En 2013, Marc reprend son rôle d'Alex dans Le Coeur des hommes 3 puis incarne un gynécologue dans la comédie d'Audrey Dana, Sous les jupes des filles. Il passe également par la case télé en se glissant dans la peau de Louis Daniel dans les saisons 1 et 2 de Crossing Lines. En 2016, il campe un père meurtri par l'endoctrinement de sa fille dans un groupe djihadiste dans Ne m'abandonne pas. L'acteur retourne ensuite dans le registre comique en incarnant le tonton homosexuel de Kev Adams dans Love Addict.

En parallèle de ses (prenantes) activités musicales et télévisuelles, Marc Lavoine campe un chanteur qui a connu le succès le temps d’un tube unique il y a quelques années dans Le Petit Piaf de Gérard Jugnot. Il y donne, entre autres, la réplique au jeune Soan Arhimann, le gagnant de la sixième saison de The Voice Kids. Davantage actif côté petite lucarne, le natif de Longjumeau joue aussi dans les séries L'École de la vie et I3P, ainsi que dans le téléfilm Loin de chez moi (un thriller inspiré d'une histoire vraie).