Fils d'un père américain, héros de l'US Air Force, et d'une mère française, Jean-Marc Barr passe une partie de son enfance en Allemagne, puis aux États-Unis, avant de rejoindre la France en 1968. En 1974, la famille s'installe à San Diego, Jean-Marc Barr y reçoit une éducation stricte en vue de son incorporation dans l'US Air Force. Refusant d'emprunter la même voie que son père, il part pour Londres en 1982 étudier le théâtre. Il y fait la connaissance de sa future femme, une pianiste d'origine yougoslave. De retour en France, il fait ses débuts à l'écran dans The Frog prince (1984) et joue sous la direction de John Boorman dans La Guerre à sept ans (1987).

Arrivent le succès phénoménal du Grand bleu (1988) et son rôle de plongeur qui lui collera longtemps à la peau. Le film de Luc Besson lui vaut une nomination du meilleur acteur aux Césars. Travaillant régulièrement sur des productions de tous pays, il se convertit au "Dogme" dès 1991, après sa rencontre avec Lars von Trier qui lui offre le premier rôle de Europa. C'est le début d'une amitié et d'une collaboration active qui se poursuivra avec Breaking the waves (1996), Dancer in the dark (2000) et Dogville (2003). En 1999, le comédien décide de passer derrière la caméra, en suivant les préceptes du "Dogme". Jean-Marc Barr réalise ainsi avec Pascal Arnold Lovers, le premier volet d'une trilogie consacrée à la liberté et à l'amour, tourné en caméra DV et gonflé en 35 mm. Cette "saga" se poursuit avec Too much flesh (2001) avant de se conclure la même année avec Being light, qui aborde la liberté de pensée.

Malgré quelques ratés (Folle d'elle avec Ophélie Winter), ses choix d'acteur restent très éclectiques, l'amenant à passer du thriller (La Sirène rouge, 2002), à la comédie romantique (Le Divorce, en 2003) après un détour par la comédie dramatique (Saltimbank, id.). Par le biais de sa société Toloda, il produit les deux premiers longs métrages de Carole Laure : Les Fils de Marie (2002) et Tout près du sol (2004), dans lesquels il fait également l'acteur. Refusant les étiquettes, il apparaît dans des comédies légères comme Crustacés et Coquillages (2004) et Baby Blues (2007), ce qui ne l’empêche pas de retrouver entre-temps son réalisateur fétiche Lars von Trier pour le deuxième volet de sa trilogie consacrée à la critique des Etats-Unis, Manderlay, et pour Le Direktør. Il refait ensuite équipe avec Pascal Arnold pour co-réaliser Chacun sa nuit, film sur l'adolescence et la sexualité. Puis il rejoint Sergi Lopez et Nathalie Richard dans Parc et enchaîne avec l'univers onirique de Raoul Ruiz dans La Maison Nucingen, adapté d'un roman de Balzac. Il tourne en 2009 sous la direction de Christophe Honoré dans Non ma fille, tu n'iras pas danser aux côtés de Marina Foïs qu'il retrouve dans Les Yeux de sa mère (2011), où ils interprètent les parents adoptifs d'un jeune homme confronté à ses origines.