Omar Sy débute sa carrière comme animateur sur "Radio Nova" où il rencontre son futur complice, Fred Testot. Ensemble, ils multiplient les programmes comiques, côtoyant Jamel Debbouze sur Canal + ou Eric et Ramzy qui offrent à Omar son premier rôle sur grand écran dans La Tour Montparnasse infernale (2001). Omar rencontre aussi les scénaristes-réalisateurs Olivier Nakache et Eric Toledano avec qui il tourne un premier court métrage en 2002.

Interprétant principalement des personnages secondaires dans de nombreuses comédies comme Le Raid (2002) ou La Beuze (2003), c'est avant tout en solo qu'il se démarque comme dans Nos jours heureux (2006) de Toledano et Nakache où il incarne un moniteur de colonies de vacances. En 2007, Eric et Ramzy le rappellent pour participer à leur nouveau long métrage : Seuls Two, dans lequel il retrouve Fred avec qui il continue de s'illustrer sur scène et sur le petit écran, notamment dans le célèbre "Service après-vente" diffusé sur Canal +.

Le succès de cette émission ne l'empêche toutefois pas de poursuivre sa carrière au cinéma, et il se distingue en 2009 dans Envoyés très spéciaux aux côtés de Gérard Jugnot et de Gérard Lanvin. Omar Sy interprète des rôles de plus en plus conséquents dans Tellement proches et La Loi de Murphy, avant de s'adonner à un autre exercice qu'il affectionne après l'avoir découvert sur Frère des ours, le doublage, dans Arthur et la vengeance de Maltazard (2009) ou Lascars (id.). L'acteur fait ensuite un détour par l'univers enchanté de Micmacs à tire-larigot de Jean-Pierre Jeunet.

Il effectue un retour remarqué à la comédie fin 2011 en jouant les Intouchables aux côtés de François Cluzet. Enorme succès au box-office, ce film marque une étape importante dans la carrière du comédien puisque Omar Sy reçoit le César du meilleur acteur. Il entre ensuite dans l'équipe de comiques-footballeurs formée par Olivier Dahan pour Les Seigneurs (2012) avant de retrouver d'anciens compagnons de la chaîne cryptée, Kad Merad et Olivier Baroux, dans Mais qui a re-tué Pamela Rose ?. La même année, il mène l'enquête accompagné de Laurent Lafitte dans De l'autre côté du périph.

Partant à la conquête d'Hollywood, Omar Sy s'installe à Los Angeles et tient le rôle de Bishop dans X-Men Days of Future Past (2014) puis celui de Barry dans Jurassic World (2015). Il n'en oublie pas pour autant les projets français puisqu'il campe entre ces deux blockbusters Samba, un sans papiers au grand coeur dans le nouveau film d'Eric Toledano et Olivier Nakache, et un homme se retrouvant père du jour au lendemain dans Demain Tout Commence. Après avoir cuisiné aux côtés de Bradley Cooper (A vif !), l'acteur se glisse dans la peau de Chocolat de Roschdy Zem, premier artiste noir de la scène française.

A l'affiche des comédies Knock et Le Flic de Bellevile, Omar Sy apparaît aussi dans le film de sous-marin Le Chant du Loup, le conte Le Prince oublié ou encore le drame réaliste Police. Côté petite lucarne, le natif de Trappes connaît à nouveau un très gros succès via Lupin, une série Netflix dans laquelle il campe un cambrioleur aussi charismatique que sympathique inspiré du personnage créé par Maurice Leblanc.

Toujours aussi populaire auprès du grand public, il continue de mener sa carrière entre les États-Unis et la France. Il donne la réplique à Harrison Ford dans L'Appel de la forêt et se confronte à nouveau aux dinosaures de Jurassic World dans Le Monde d'après (2022). Après avoir retrouvé Laurent Lafitte dans Loin du périph, Omar Sy s'illustre dans un registre plus intimiste avec Tirailleurs, un drame historique qui revient sur l'histoire méconnue de soldats sénégalais envoyés au front. Le long-métrage est présenté à Un Certain Regard au Festival de Cannes 2022.

En 2024, il est à l'affiche d'un projet étonnant : le remake de The Killer par John Woo lui-même. Située à Paris, cette relecture suit une tueuse à gages campée par Nathalie Emmanuel.