Après des études de Lettres, Xavier Giannoli a été un temps journaliste avant de travailler sur des tournages comme assistant metteur en scène. En 1993, il réalise son premier court métrage Le Condamné avec Philippe Léotard et Christine Boisson, adapté d'une nouvelle de Jean-Paul Dubois. Par la suite, il mettra en scène J'aime beaucoup ce que vous faites (1995) avec Mathilde Seigner, Dialogue au sommet (id.) avec François Cluzet, et surtout L'Interview (1998), qui remporte la Palme d'Or du court métrage ainsi qu'un César. Porté par Mathieu Amalric, ce film suit la difficile journée d'un journaliste chargé d'interviewer l'actrice Ava Gardner.

Après la réalisation d'un documentaire intitulé L'Oeil humain, qui s'apparente à une tentative d'analyse du film A nos amours de Maurice Pialat, Xavier Giannoli passe le cap du long en signant en 2003 Les Corps impatients, un drame porté par Laura Smet et Nicolas Duvauchelle. Acteur qu'il retrouvera deux ans plus tard pour les besoins d'Une aventure, son second long métrage également interprété par Ludivine Sagnier. Poursuivant sur sa lancée, Xavier Giannoli dirige l'année d'après le duo Cécile de France / Gérard Depardieu dans le touchant Quand j'étais chanteur, qui sera sélectionné en Compétition au Festival de Cannes, tout comme A l'origine en 2009. Inspiré d'un fait divers survenu dans le Nord de la France, ce film voit François Cluzet incarner un escroc reprenant à son compte la construction d'un chantier d'autoroute. Pour ce film, le réalisateur obtient plusieurs nominations aux Césars comme meilleur film, meilleur réalisateur et meilleur scénario original. Hormis le César du meilleur second rôle féminin que remporte Emmanuelle Devos, le film repart bredouille mais permet néanmoins à François Cluzet d'obtenir l'un de ses rôles les plus marquants de ces dernières années.

Producteur associé du deuxième film de Valérie Donzelli, La Guerre est déclarée en 2011, Xavier Giannoli revient à la réalisation l'année suivante avec Superstar, qui se retrouve en sélection officielle lors de la Mostra de Venise. Dans cette adaptation du roman de Serge Joncour, il dirige Kad Merad dans la peau d'un homme ordinaire devenant soudainement célèbre du jour au lendemain. Pour l'occasion, il retrouve Cécile De France, six ans après Quand j'étais chanteur. Il faut ensuite attendre 2015 avant que le réalisateur ne mette en scène son sixième film avec Marguerite, long métrage historique s'inspirant de la cantatrice américaine Florence Foster Jenkins qui avait cette particularité notable de chanter faux. Dans le rôle de la chanteuse lyrique, il offre à Catherine Frot un retour au cinéma après trois ans d'absence.