Fils d'un père préparateur en pharmacie et d'une mère professeure de couture, Xavier Beauvois grandit à Auchel, dans le Pas-de-Calais. Alors qu'il est en terminale, il rencontre via une conférence le critique et cinéaste respecté Jean Douchet. Ce dernier lui donne une chance de s'extirper du milieu ouvrier auquel il semble promis en l'invitant à Paris et en l'encourageant à s'engager dans le cinéma.

Beauvois déclarera plus tard : "Le cinéma m'a sauvé la vie ! Ce n'est même pas un métier, c'est une passion. Quand je pense à mon enfance, là d'où je viens, à ce que j'aurais pu faire là-bas... Ce n'était pas possible, il fallait que je sorte de là..."

Le jeune homme débute comme assistant réalisateur avec André Techiné sur Les Innocents, et Manoel de Oliveira pour Mon cas, avant de faire ses premières armes de réalisateur avec un court-métrage, Le Matou (1986). Il franchit le pas du long-métrage trois ans plus tard avec Nord, où il évoque le Pas-de-Calais à travers la désintégration d'une famille incapable de communiquer.

Après un séjour à la Villa Médicis, lieu de résidence et de travail pour artistes sous la tutelle du Ministère de la culture, Xavier Beauvois réalise en 1995 N'oublie pas que tu vas mourir, chronique désenchantée et romantique d'un étudiant (incarné par lui-même) apprenant sa séropositivité. Le long métrage, comprenant aussi Roschdy Zem au casting, lui vaut le Prix Jean Vigo et le Prix du Jury à Cannes.

Acteur à l'occasion, notamment pour Michel Deville (Aux petits bonheurs, 1994), Jacques Doillon (Ponette, 1996) et Philippe Garrel (Le Vent de la nuit, 1999), il signe en 2001 Selon Matthieu, avec Benoît Magimel et Nathalie Baye. Il offre ensuite à cette dernière l'un des deux rôles principaux du drame policier Petit lieutenant (2005), celui de Vaudieu, commandant de police et mentor de Jalil Lespert.

Et, c'est tout naturellement que, lorsque ce dernier réalise son premier long métrage (24 mesures, 2007), il lui attribue le petit rôle du patron du peep-show. Xavier Beauvois poursuit sa carrière de comédien auprès de réalisateurs de renom. Ainsi, on peut le voir chez Jean-Paul Salomé (Arsène Lupin, Les Femmes de l'ombre et Le Caméléon) et Benoît Jacquot (Villa Amalia).

L'année 2010 marque à la fois une consécration et un tournant décisif dans sa carrière de metteur en scène. En effet, cinq ans après son dernier film, Xavier Beauvois revient à la réalisation en présentant au Festival de Cannes Des hommes et des dieux, dans lequel Lambert Wilson et Michael Lonsdale interprètent les membres éminents des moines de Tibhirine, retrouvés assassinés en 1996 en Algérie.

Succès monumental, tant critique que commercial (plus de 3 millions d'entrées sur le territoire français), le long métrage obtient le Grand Prix du Jury et le César du Meilleur film.

En parallèle, le natif d'Auchel se glisse en 2011 dans la peau de personnages marquants dans L'Apollonide - souvenirs de la maison close et De bon matin (le patron sadique de Jean-Pierre Darroussin, c'est lui !). L'année suivante, il est le meilleur ami de Jean-Paul Rouve dans l'émouvant Quand je serai petit, puis joue ni plus ni moins que Louis XVI pour Benoît Jacquot (Les Adieux à la reine).

Il retrouve également Roschdy Zem dans ses réalisations Bodybuilder (2014) et Chocolat (2016). A noter aussi ses prestations plus ou moins importantes dans Maryline de Guillaume Gallienne, Le Secret des banquises de Marie Madinier, Un beau soleil intérieur de Claire Denis, L'Amour est une fête de Cédric Anger et Les Estivants de Valeria Bruni Tedeschi.

En 2014, le réalisateur adapte un fait divers survenu dans les années 1970 : deux hommes volant le cercueil de Charlie Chaplin pour demander une rançon à sa famille, dans La Rançon de la Gloire emmené par Benoit Poelvoorde et Roschdy Zem. Trois ans plus tard, il retrouve Nathalie Baye pour Les Gardiennes, un drame sur le quotidien des femmes durant la Première Guerre mondiale.

Aimant varier les thématiques qu'il traite, Xavier Beauvois signe en 2020 Albatros, un drame emmené par Jérémie Renier se déroulant dans la très cinématographique ville côtière d’Étretat. Le long métrage, qui suit un gendarme dont la vie bascule après avoir accidentellement tué un agriculteur ruiné, a l'honneur d'être présenté en compétition au Festival de Berlin.

Quatre ans plus tard, le cinéaste livre La Vallée des fous, dans lequel Jean-Paul Rouve campe un passionné de voile traversant une mauvaise passe, qui décide de participer à une course virtuelle du Vendée Globe.