Fils d'un riche industriel et neveu de Jérôme Lindon, le fondateur des Editions de Minuit, Vincent Lindon débute dans le cinéma comme aide-costumier sur Mon oncle d'Amérique. Après un séjour aux Etats-Unis et une expérience de journaliste au quotidien "Le Matin", il choisit la voie de la comédie. Francis Huster, un de ses professeurs au Cours Florent, le recommande alors à Paul Boujenah, qui offre à l'acteur son premier rôle, celui d'un inspecteur, dans Le Faucon en 1983.

Vincent Lindon enchaîne bientôt les seconds rôles dans quelques oeuvres marquantes des années 80 comme Notre histoire de Blier en 1984, 37°2 le matin de Beineix en 1986 ou encore Quelques jours avec moi de Sautet, dans lequel il incarne le petit ami de Sandrine Bonnaire, en 1988. Cette année-là, il est pour la première fois la tête d'affiche d'un film, L'Etudiante de Claude Pinoteau. Il y campe un musicien bohème amoureux de Sophie Marceau, une prestation qui lui vaut le prix Jean Gabin un an plus tard. Il y a des jours... et des lunes marque en 1990 le début d'une fructueuse collaboration avec Claude Lelouch qui se poursuivra avec l'ambitieux La Belle histoire et la comédie à succès Tout ça... pour ça ! en 1993.

L'acteur forme avec son vieux complice Gérard Darmon un tandem de paumés attachants dans Gaspard et Robinson de Tony Gatlif en 1990, mais c'est une autre histoire d'amitié sur fond de chômage qui apporte à Vincent Lindon la consécration : La Crise de Coline Serreau. Face à Patrick Timsit en clochard envahissant, sa composition de cadre déprimé lui vaut une nomination au César du Meilleur acteur. On le retrouve alors au générique de plusieurs films à résonance sociale comme ceux de Pierre Jolivet, le polar Fred et la comédie Ma petite entreprise, pour laquelle il est de nouveau nommé au César en 2000, ou Chaos, nouveau succès de Serreau.

A l'aube des années 2000, Vincent Lindon est l'un des comédiens les plus sollicités du cinéma français. En 1997, Benoît Jacquot lui ouvre les portes du cinéma d'auteur avec Le Septieme Ciel, radiographie d'un couple dans lequel l'acteur donne la réplique à Sandrine Kiberlain. Acceptant un périlleux rôle de travesti dans L'Ecole de la chair du même Jacquot, il est dirigé par l'exigeante Claire Denis dans Vendredi soir en 2002. Vincent Lindon n'en continue pas moins de briller dans la comédie, comme en témoignent ses prestations dans Belle Maman (1999), Mercredi folle journée de Pascal Thomas, Le Coût de la vie (2003) ou encore, en 2004, La Confiance règne de Chatiliez.

Avec La Moustache d'Emmanuel Carrère (2005), il incarne un homme en quête d'identité après avoir rasé la moustache qu'il a toujours portée. Il campe de nouveau un personnage sensible avec Selon Charlie de Nicole Garcia, où il interprète le séducteur d'un village parmi six autres destins entrecroisés. Il retrouve l'année suivante Sandrine Bonnaire pour Je crois que je l'aime, de l'un de ses réalisateurs fétiches, Pierre Jolivet. En 2007, il donne à nouveau la réplique à Emmanuelle Devos (après La Moustache) pour Ceux qui restent, où tous deux incarnent les conjoints de personnes malades. Il aborde un registre plus léger en 2008 en donnant de la voix pour le film d'animation Chasseurs de dragons, et traverse ensuite la Manche pour interpréter un jeune divorcé tombant amoureux de Virginie Ledoyen dans la comédie romantique Mes amis, mes amours.

Après avoir fait sortir Diane Kruger de prison dans le premier film de Fred Cavayé, Pour elle, Vincent Lindon se glisse dans la peau d'un maître nageur pour les besoins de Welcome, sa première collaboration avec Philippe Lioret. Son interprétation lui vaut une nomination aux César 2010. En 2009, il retrouve pour la quatrième fois son ancienne compagne Sandrine Kiberlain dans Mademoiselle Chambon. Décidément fidèle, il tourne, deux ans plus tard, pour la 3e fois avec Emmanuelle Devos dans La Permission de minuit et pour la 2ème fois avec Philippe Lioret dans Toutes nos envies.

Actif, le comédien cumule les rôles complexes dans des films à la tonnalité plutôt sombre, à l'image de Quelques heures de printemps (2012), Augustine (id.), Les Salauds (2013) ou encore Mea Culpa (2014), où il se glisse dans la peau d'un ex-policier torturé prêt à tout pour sauver son fils pourchassé par la mafia. En 2015, après avoir donné la réplique à l'actrice la plus demandée du moment en la personne de Léa Seydoux dans Journal d’une femme de chambre, Vincent Lindon incarne dans le drame social La Loi du Marché un père de famille commençant un nouveau travail qui le met face à un dilemme moral. Le film est présenté en Compétition au Festival de Cannes 2015 et l'acteur est couronné du Prix d'Interprétation Masculine.

L'acteur retrouve Stéphane Brizé en 2018 pour un nouveau film social, En Guerre, dans lequel il prête sa carrure à un ouvrier menant son équipe à la grève générale pour protester contre la fermeture de leur entreprise. Comédien caméléon, il se glisse aussi dans le costume du sculpteur Rodin dans le film de Jacques Doillon. Il reste dans le registre du film en costumes en 2019 dans Dernier amour de Benoît Jacquot. Lindon y incarne le célèbre séducteur Casanova.

Après la comédie Mon cousin où il donne la réplique à François Damiens, l'acteur fait une incursion inédite dans le cinéma de genre avec Titane de Julia Ducournau. Il y est un pompier adepte de stéroïdes qui retrouve celui qu'il pense être son fils, disparu dix ans plus tôt. Échappant aux étiquettes, Titane fait l'effet d'une bombe au Festival de Cannes 2021 où il est présenté en compétition et d'où il repart avec l'ultime récompense : la Palme d'Or. 

Un an après le sacre de Titane, Vincent Lindon revient sur la Croisette en tant que président du jury de la 75ème édition. Entre temps, le comédien a retrouvé Stéphane Brizé et Sandrine Kiberlain pour le drame social Un autre monde, qui observe cette fois l'univers du travail du côté des cadres financiers. Il campe ensuite le chef de l’Office central pour la répression du trafic illicite des stupéfiants dans Enquête sur un scandale d'état, inspiré de l'affaire François Thierry.