Après avoir étudié la photographie au centre Doret, en Suisse, Vincent Perez est reçu au Conservatoire Supérieur d'Art Dramatique de Genève et poursuit sa formation au Conservatoire d'Art Dramatique de Paris. En 1986, il intègre la troupe du Théâtre des Amandiers de Nanterre et joue Hamlet, Platonov, Penthésilée tout en s'illustrant dans diverses pièces au Théâtre de la Ville et au Festival d'Avignon.

Alors qu'il est encore étudiant, Jean-Pierre Limosin lui offre son premier rôle à l'écran dans la comédie dramatique Gardien de la nuit (1986). Dès ses débuts d'acteur, il est courtisé par les plus grands réalisateurs : Patrice Chéreau (Hôtel de France), Jean-Paul Rappeneau (Cyrano de Bergerac) ou encore Ettore Scola (Le Voyage du capitaine Fracasse). En 1992, Indochine de Régis Wargnier lui permet d'asseoir son statut de séducteur. Dès lors, Vincent Perez va collectionner les personnages d'amants romantiques, que ce soit dans des comédies (Fanfan, Le Libertin, Epouse-moi) ou des fresques d'envergure (La Reine Margot).

C'est à partir de 1996, avec Par-delà les nuages de Michelangelo Antonioni et Wim Wenders et The Crow : la cité des anges, que le comédien donne une orientation internationale à sa carrière. Cette tendance se confirme avec Au coeur de la tourmente (1997), un drame sentimental où Vincent Perez a pour partenaire Rachel Weisz, Je rêvais de l'Afrique (2000), où il s'éprend cette fois-ci de Kim Basinger, ou encore La Reine des damnés (2002) qui lui permet de renouer avec le genre fantastique. Souhaitant casser son image de jeune premier, l'acteur n'hésite pas à s'illustrer en traître dans Le Bossu (1997) et à se travestir dans Ceux qui m'aiment prendront le train (1998), prestations qui lui vaudront d'être nommé à deux reprises pour le César du Meilleur second rôle.

Fort de son expérience devant la caméra, Vincent Perez s'essaie parallèlement à la réalisation. C'est ainsi qu'il met en scène plusieurs courts métrages : L'Echange (1992), Rien dire (1999), Hier, tu m'as dit demain (2000) ainsi qu'un spot publicitaire contre la peine de mort en 2002. En 2001, il dirige Morgane Moré et Guillaume Depardieu dans son premier long-métrage, un drame sentimental intitulé Peau d'ange. Un essai, qui sera suivi six ans plus tard d'une autre réalisation, Si j'étais toi, réunissant cette fois-ci un casting international (David Duchovny, Lili Taylor, Olivia J. Thirlby).

Entretemps, on peut revoir l'acteur enfiler la blouse d'un Pharmacien de garde (2003), le costume de Fanfan la Tulipe (id.) ou la tenue de cycliste cocu de Je reste ! (id.). Après un détour par son pays d'origine pour la comédie Bienvenue en Suisse, Vincent cède aux sirènes des séries en interprétant le flic Vincent Revel pour le feuilleton Paris Enquêtes Criminelles (2007-2008) diffusé sur TF1. Par la suite, il continue d'alterner oeuvres françaises et étrangères. On le voit dans Demain dès l'aube... (2009) et le téléfilm Trahie ! (2010) mais aussi dans la production espagnole Bruc. La llegenda (id.) et Etat de choc (id.), thriller américain où il côtoie Diane Kruger. C'est en 2011 qu'il revient sur les écrans hexagonaux avec deux premiers films : Un baiser papillon de son épouse Karine Silla, et Monsieur Papa de Kad Merad.

Le natif de Lausanne est très en vue en 2012. On peut le voir dans le drame sur fond de romance, Ma Première fois de Marie-Castille Mention-Schaar. Le film est une évocation des désirs adolescents et l'émoi suscité par les "premières fois". Après cette romance édulcorée, Vincent campe Lévêque dans la fresque historique tournée par Valeria Sarmiento, Les Lignes de Wellington. Le comédien y donne la réplique à John Malkovich et Melvil Poupaud. Par ailleurs, il est également à l'affiche du nouveau film d'Alexandre Arcady, Ce que le jour doit à la nuit. Dans ce drame sur fond historique (l'Algérie des années 30), Perez prête ses traits à Juan Rucillio et se confronte à Mohamed Fellag, Anne Consigny et Nora Arnezeder.

Vincent Perez commence 2013 aussi bien que 2012 en étant à l'affiche du dernier film de Philippe Lellouche, Un Prince (presque) charmant. Dans cette comédie romantique, il campe un quadragénaire égoïste et arriviste qui rencontre une belle jeune fille (Vahina Giocante) qui va bouleverser sa vie. Depuis, il se fait plus discret, et pour cause ; dix ans après Si j'étais toi, Perez fait son retour derrière la caméra avec Seul Dans Berlin, qui confirme son ouverture à l'international : il met notamment en scène Brendan Gleeson, Emma Thompson et Daniel Brühl dans ce drame de guerre. On le retrouve également dans Dalida, le biopic de Lisa Azuelos, et sous la houlette de Roman Polanski dans D'après une histoire vraie.

Menant une carrière de comédien plutôt discrète, Vincent campe quelques seconds rôles : il est Jonathan Dickinson, l'acteur suisse dans Les Estivants, le commandant des forces armées françaises à Djibouti dans L'Intervention, le professeur Deglacière dans L'Autre continent et le magistrat, avocat et écrivain français Louis Leblois dans J'accuse. A noter aussi sa prestation dans la série d'aventures avec Charlie Hunnam, Shantaram. En 2023, il met en scène son quatrième long, Une affaire d'honneur, un film d'époque avec Roschdy Zem, Doria Tillier et Guillaume Gallienne, où il est question de duels à l'épée.