Jeremy Renner est l’aîné d’une famille de cinq enfants. Au lycée, il découvre la comédie, qui devient sa vocation et part à San Francisco où il se produit dans des théâtres locaux. Il déménage ensuite à Los Angeles où il travaille comme maquilleur et décroche quelques rôles sur scène, notamment dans Search and Destroy. En 1995, Jeremy Renner fait ses débuts au cinéma dans la comédie potache Alarme totale.
Dès lors, on va surtout le voir à la télévision pour des apparitions rapides dans Angel (pour un rôle de tueur) ou Les Experts. Son retour au cinéma se fait en 2002 avec Dahmer, l’histoire d’un serial killer cannibale. Le film, qui le place en tête d’affiche, n’a pas le succès escompté, mais est salué par la critique. L'acteur se retrouve alors coéquipier rédempteur de Samuel L. Jackson dans le détonnant S.W.A.T. (2003), puis devient membre d’un groupe néonazi enfermé en hôpital psychiatrique pour Neo Ned (2005). Renner est remarqué et remporte le Prix du meilleur acteur du Festival International de Palm Beach.
Sur sa lancée, il obtient des seconds rôles en participant à 12 and Holding et surtout à L'Affaire Josey Aimes (2005), dans lequel il tourne avec son amie Charlize Theron. En 2007, Jeremy Renner est partout : en cousin de Jesse James (Brad Pitt) dans le western L'Assassinat de Jesse James par le lâche Robert Ford, en accro au jeu dans Take, et dans le monde post-apocalyptique de 28 semaines plus tard. Il se fait même soigner dans l’hôpital du Dr House.
Cette boulimie de travail est payante puisque l’année suivante, Jeremy Renner est retenu pour le rôle de William James, sergent-chef d’une unité de Démineurs, tête brûlée accro à l'adrénaline et à la guerre. Le film est, à défaut d’un succès en salles, un carton aux Oscars puisqu’il remporte 6 statuettes. Sa prestation vaut à Jeremy Renner une nomination dans la catégorie Meilleur premier rôle, et les jurys du monde entier le couvrent de prix. Dès lors, pour l’industrie du film, l’acteur devient bankable. En 2010, son ami Ben Affleck l’engage pour jouer son bras droit dans le polar musclé The Town, réalisé par Ben Affleck lui-même. Sa prestation de jeune "chien fou" du braquage accro à l'action (encore !) ne passe pas inaperçue.
L'année 2011 est marquée par sa présence au casting de deux blockbusters de taille : Mission: Impossible - Protocole fantôme de Brad Bird, aux côtés de Tom Cruise, et Thor, de Kenneth Branagh. Il y incarne de manière très brève le super-héros Clint Barton, alias Œil-de-Faucon, rôle pour lequel il reprend du service en 2012 auprès de l'écurie Marvel dans la superproduction Avengers, de Joss Whedon. Définitivement propulsé au rang de star, Renner ne s'arrête pas en si bon chemin et prend dans la foulée la relève de Matt Damon dans le sequel de la saga Jason Bourne, ce qui lui permet de s'illustrer une nouvelle fois dans le cinéma d'action et de s'imposer comme une vedette incontournable du paysage hollywoodien.
Après avoir affronté les sorcières aux côtés de Gemma Arterton dans l'horrifique et fun Hansel & Gretel : Witch Hunters (2013), le comédien montre une autre facette de son talent dans le drame The Immigrant signé James Gray. L'année suivante, il prend les traits du maire Carmine Pollito dans American Bluff, nouveau film de David O. Russell, qui rafle plusieurs nominations aux Oscars 2014. Huit ans après 12 and Holding, il retrouve le réalisateur Michael Cuesta en 2014, pour Kill The Messenger, biopic du journaliste d'investigation Gary Webb, où il tient le rôle principal.
Bien occupé par les films Marvel, Jeremy Renner reprend son rôle d'Œil-de-Faucon dans Avengers: L'ère d'Ultron, Captain America: Civil War et Avengers: Endgame. Parallèlement à cette lucrative saga super-héroïque, il participe au film de SF acclamé par la critique Premier contact (2016) et incarne un pisteur chevronné qui enquête sur la mort d'une jeune femme dans le thriller glacial Wind River (2017). De plus en plus rare au cinéma, le natif de Modesto est davantage présent côté séries. En témoignent ses prestations dans Hawkeye, pour laquelle il endosse une fois de plus le costume de Clint Barton / Hawkeye, et dans Mayor of Kingstown, réalisée par Taylor Sheridan (Wind River) et produite par Antoine Fuqua.
Le 1er janvier 2023, Jeremy Renner est victime d'un accident alors qu'il déneige sa maison à la suite d'une tempête hivernale. L'acteur, qui a été héliporté à l’hôpital, est actuellement hospitalisé, dans un "état critique mais stable", selon Variety.