Cillian Murphy est né d'une mère professeur de français et d'un père travaillant pour le ministère irlandais de l'Éducation. C'est au théâtre qu'il se fait d'abord connaître, notamment avec une prestation dans la pièce Disco Pigs, mais également dans Beaucoup de bruit pour rien et The Shape of things, mise en scène par Neil LaBute. Après quelques téléfilms et longs métrages confidentiels, Cillian Murphy commence à faire parler de lui en Angleterre avec un rôle dans La Vie à la folie puis, un an plus tard, en étant à l'affiche de Disco pigs, adaptation de la pièce qu'il joua quelques années plus tôt.

En 2003, il accède à la consécration internationale en tenant la vedette du film d'horreur post-apocalyptique 28 jours plus tard de Danny Boyle, puis en s'affichant dans Intermission de John Crowley, film choral au coeur des quartiers populaires de Dublin qui reçoit pas moins de quatre IFTA Awards (l'équivalent des Césars en Irlande). En 2004, il apparaît dans deux grosses productions américaines : Cold Mountain et La Jeune fille à la perle. Il quitte alors les films d'époque pour Gotham City, où il endosse les oripeaux de l'Epouvantail dans Batman begins (2005) de Christopher Nolan.

S'étant fait un nom sur la scène internationale, on le retrouve dans le thriller de Wes Craven, Red-eye (2005). Puis il partage à nouveau l'affiche avec son compatriote, Liam Neeson dans Breakfast on Pluto de Neil Jordan. En 2006, il est présent au casting du film de Ken Loach, Le Vent se lève, évoquant la Guerre d'Indépendance de l'Irlande, récompensé par la Palme d'or à Cannes. Poursuivant une carrière éclectique, il retrouve Boyle pour le film de science-fiction Sunshine dans lequel il doit rallumer le soleil qui est sur le point de s'éteindre et Nolan pour The Dark Knight, considéré comme le meilleur Batman.

Alternant productions irlandaises et productions hollywoodiennes, le natif de Douglas est mis à prix dans Perrier's Bounty par Brendan Gleeson, avant de retrouver le réalisateur Christopher Nolan dans le thriller futuriste Inception, aux côtés de Leonardo DiCaprio et d'autres grandes stars comme Marion Cotillard, Tom Hardy ou encore Joseph Gordon-Levitt. Devenu une sorte d'acteur fétiche du cinéaste, Cillian tourne à nouveau sous sa houlette en 2012 pour The Dark Knight Rises puis, quatre ans plus tard, pour son blockbuster réaliste se déroulant durant la Seconde Guerre mondiale, Dunkerque.

Avant cela, l'Irlandais devient le héros de la série britannique Peaky Blinders. Il y incarne Tommy Shelby, le chef d'une famille de gangsters dans le Birmingham des années 1920. L'acteur gère de front une carrière entre cinéma et télévision, entre blockbusters (Transcendance avec Johnny Depp, Au Coeur de l'océan de Ron Howard) et films indépendants (Broken avec Tim Roth, Free Fire de Ben Wheatley). Il donne également la réplique à la légende Robert De Niro dans le thriller Red Lights. En 2016, Cillian partage l'affiche avec Jennifer Connelly et Mélanie Laurent du drame L'attrape-rêves.

Parallèlement à Peaky Blinders, qui connaît un succès de plus en plus important auprès du public international jusqu'à son arrêt en 2022, Cillian Murphy joue dans les films aussi différents que The Party, Dunkerque, Anna et Sans un bruit 2, dans lequel il rejoint Emily Blunt. Il refait une nouvelle fois équipe avec Christopher Nolan, qui lui offre le rôle principal du biopic Oppenheimer. Pour l'occasion, l'acteur irlandais se glisse ainsi dans la peau de Robert Oppenheimer, un scientifique américain ayant été sollicité pour développer l'arme atomique lors de la Seconde Guerre mondiale. L'acteur explique :

"J'ai toujours dit à Chris Nolan, en public et en privé, que si j'étais disponible et qu'il me voulait dans un film, je répondrais toujours présent. Peu importe l'importance du rôle. Cependant, au fond de moi, secrètement, je mourais d'envie de jouer un rôle principal pour lui. Il m'a simplement dit : Écoute, j'ai écrit ce scénario qui parle d'Oppenheimer. J'aimerais que tu sois mon Oppenheimer. C'était une formidable journée. Il m'a semblé que c'était le bon moment pour endosser une telle responsabilité. Et il se trouve que celle-ci était vraiment considérable. C'est beaucoup de pression."

"Le personnage était complexe, contradictoire et tellement emblématique. Mais je savais que je travaillais avec l'un des plus grands réalisateurs de tous les temps. Je me suis sentie en confiance. Il a eu un impact profond sur ma vie, tant sur le plan créatif que professionnel."

Sa performance lui vaut le Golden Globe, le BAFTA et l'Oscar du meilleur acteur.