Fils d'un père informaticien et d'une mère auteure de livres pour enfants, Aaron Eckhart débute sa carrière artistique en étudiant le théâtre à la Brigham Young University, réputée pour observer un code moral très exigeant. Il y fait la rencontre de Neil LaBute et joue dans la plupart des pièces que celui-ci met en scène. Après ses études, Aaron Eckhart part s'installer à New York où il débute une activité théâtrale intense.

En 1997, son ami Neil LaBute lui offre son premier rôle sur grand écran dans En compagnie des hommes. Le film est un succès, et sa composition subtile de cadre sadique lui vaut plusieurs distinctions, dont un Golden Satellite Award et un Independant Spirit Award dans la catégorie Révélation masculine de l'année. Il devient l'un des acteurs fétiches de Neil LaBute, sous la direction duquel il tournera à plusieurs reprises, dealer " oubliant " sa marchandise chez un ancien ami dans C'est pas mon jour, homme n'arrivant pas à satisfaire sa femme dans Entre amis & voisins, petit ami indélicat de Renée Zellweger dans Nurse Betty ou encore universitaire vivant une liaison torride avec Gwyneth Paltrow dans Possession.

En 2000, Aaron Eckhart se fait connaître du grand public en interprétant le petit ami de Julia Roberts dans Erin Brockovich, seule contre tous. La pertinence de ses choix lui permet de croiser la route de cinéastes aussi prestigieux qu'Oliver Stone (L' Enfer du dimanche), Sean Penn (The Pledge) ou encore Ridley Scott (A good year). L'acteur se distingue également par des choix audacieux : il participe au western de Ron Howard, Les Disparues, donne la réplique à Ben Affleck dans le film d'action Paycheck de John Woo et partage l'affiche avec Helena Bonham Carter de Conversation(s) avec une femme, film indépendant utilisant le principe du split screen sur toute sa durée.

Valeur montante du cinéma américain, Aaron Eckhart accède en 2006 au rôle principal de Thank You for Smoking, dans lequel il campe un fabricant de tabac qui tente de rester un modèle pour son jeune fils. Il continue sur sa lancée en figurant au casting du Dahlia noir de Brian De Palma, aux côtés de Josh Hartnett et Scarlett Johansson, avant de donner la réplique à une autre actrice de charme, Catherine Zeta-Jones, dans Le Goût de la vie. Après cette incursion culinaire et romantique, il retourne à un rôle plus sombre dans The Dark Knight, la nouvelle aventure de Batman, au sein de laquelle il interprète le procureur Harvey Dent, destiné à devenir le fameux Double-Face. En 2011, il combat les aliens dans World Invasion : Battle Los Angeles et tente de surmonter la perte de son enfant dans Rabbit Hole aux côtés de son épouse Nicole Kidman.

Après avoir partagé l'affiche avec Johnny Depp du déjanté Rhum Express, on le retrouve en agent de la CIA dans The Expatriate (directement sorti en DVD en France). C'est en Président des Etats-Unis qu'il revient en 2013, dans le blockbuster musclé La Chute de la Maison Blanche. Le comédien semble être particulièrement attaché aux films d'action puisqu'il entame l'année 2014 en incarnant la créature de Frankenstein dans I, Frankenstein.