Après avoir fréquenté l'équipe du Splendid, François Berléand débute sa carrière en apparaissant dans Martin et Léa d'Alain Cavalier en 1979. L'acteur enchaîne alors les petits rôles dans les années 80, s'illustrant dans des comédies à succès comme On n'est pas des anges... elles non plus (1981), Les Hommes préfèrent les grosses (id.) ou encore Marche à l'ombre (1984). Sa rencontre avec le réalisateur Pierre Jolivet va être déterminante pour la suite de sa carrière.
Les deux hommes vont ainsi collaborer sur plusieurs films parmi lesquels Strictement personnel (1985), Le Complexe du kangourou (1986), A l'heure où les grands fauves vont boire (1993), Fred (1997), En plein coeur (1998), Le Frère du guerrier (2002), Filles uniques (2003), Je crois que je l'aime (2006) et surtout Ma petite entreprise (1999), une comédie grâce à laquelle François Berléand reçoit le César du Meilleur second rôle pour sa prestation de minable assureur. Cette récompense apparaît dès lors comme l'aboutissement d'un travail prolifique d'apparitions dans les oeuvres les plus diverses sous la direction de réalisateurs de renom comme Louis Malle (Au revoir les enfants, Milou en mai), Bruno Nuytten (Camille Claudel), Bertrand Tavernier (L'Appât, Capitaine Conan), Jacques Audiard (Un héros très discret), Benoît Jacquot (Le Septième ciel, L'Ecole de la chair), Catherine Breillat (Romance), Claude Berri (La Débandade) ou encore sa compagne durant quelques années Nicole Garcia (Place Vendôme).
Au tournant des années 2000, François Berléand se tourne davantage vers le cinéma populaire, ajoutant une pincée d'humour aux personnages de salaud et de râleur qu'il affectionne tant. Ignoble et cupide commandant français dans Le Prince du Pacifique (2000), tueur parano dans HS Hors Service (2001) ou proviseur autoritaire dans Les Choristes (2004), il excelle également dans les rôles de quarantenaires maladroits et dépassés par les événements, comme en témoignent ses compositions d'artiste peintre séducteur dans Les Ames câlines (2001), de "gentil flic" dans la saga Le Transporteur (rôle qu'il reprend pour la série inspirée des films, en 2012) ou encore d'ingénieur informaticien à côté de la plaque dans Une employée modèle (2003).
Acteur prolifique et quasi-omniprésent sur la scène cinématographique française, François Berléand trouve aussi son bonheur dans des oeuvres décalées comme Narco (2004) et Mon idole (2002) de Guillaume Canet, qui le dirige à nouveau en 2006 pour le thriller Ne le dis à personne. Passant avec une aisance exemplaire du polar le plus sombre (Le Convoyeur, Edy) à la comédie la plus légère (Les Soeurs fâchées, Le Plus beau jour de ma vie, Pur week-end...), l'homme à la barbe de trois jours devient par la suite la vedette d'une courte série, Le Bureau, et s'offre une jolie collaboration avec le cinéaste Claude Chabrol, qui l'imagine tour à tour en PDG voyou dans L'Ivresse du pouvoir (2006) et en écrivain prestigieux et pervers dans La Fille coupée en deux (2007). Il participe aussi au très célébré Concert de Radu Mihaileanu en 2009.
Depuis le début de sa carrière, quand il n'est pas occupé par le grand écran, François Berléand participe à de nombreuses productions télévisuelles. En 2010, il est ainsi au casting de six téléfilms mais ne néglige pas pour autant le cinéma, le comédien s'illustrant surtout dans des comédies : 15 ans et demi (2008), Ca$h (id.) et Le Siffleur (2010), premier film du comédien Philippe Lefebvre. Il accompagne également les débuts derrière la caméra de Sylvie Testud pour laquelle il interprète l'avocat de Juliette Binoche dans La Vie d'une autre (2012) et ceux devant la caméra d'Olivia Ruiz dans Un jour mon père viendra (id.), où il se retrouve en compétition avec Gérard Jugnot pour devenir le père idéal de la belle. La même année, il est l'ex-mari de Sophie Marceau dans Un bonheur n'arrive jamais seul, et prête sa voix pour la première fois à un personnage d'animation, le Lorax dans le film du même nom.
Directeur de prison dans l'original Dead Man Talking de Patrick Ridremont, François Berléand incarne un commissaire dans Max, un juge dans Crawl, l'ami de Daniel Auteuil et Gérard Jugnot dans Entre amis, le père de Vicky dans Vicky ou encore Le Comte de la Fresnaye dans L'Ecole buissonnière. Privilégiant la comédie par le biais de seconds rôles, il campe le beau-père de Dany Boon dans La Ch'tite Famille, le commissaire Daran dans Lucky et le psychiatre dans Chacun chez soi de Michèle Laroque. A noter aussi ses courtes (mais mémorables) apparitions dans Les Tuche 4 et Champagne !. Côté petit écran, on peut voir le comédien dans Les Chamois, Sam et L'Amour presque parfait.