Chanteur au sein du chœur de l'Opéra de Paris, Grégoire Leprince-Ringuet se distingue notamment sur les planches où il participe à Woyzeck au Théâtre du Châtelet mis en scène par Patrice Chéreau. Remarqué par André Téchiné, il obtient son premier rôle au cinéma dans Les Egarés aux côtés d'Emmanuelle Béart et de Gaspard Ulliel. Sa prestation remarquée est récompensée par une nomination aux César dans la catégorie Meilleur jeune espoir masculin.

Désormais considéré comme l'une des valeurs montantes du cinéma français, il est dirigé par Nicole Garcia dans Selon Charlie en 2007. Son allure timide et polie, cachant souvent une sensibilité à fleur de peau, s'exprime alors pleinement dans Les Chansons d'amour de Christophe Honoré pour lequel il obtient une nouvelle nomination aux César. Sa collaboration avec le réalisateur se poursuit d'ailleurs en 2008 dans la La Belle personne, transposition moderne de La Princesse de Clèves.

En 2010, il est doublement présent au Festival de Cannes: en compétition officielle avec le dernier film de Bertrand Tavernier: La Princesse de Montpensier et hors compétition dans L' Autre monde de Gilles Marchand. Cette même année marque sa première apparition en tant que tête d'affiche dans Djinns, une aventure fantastique en pleine guerre d'Algérie, du duo Hugues et Sandra Martin.

Poursuivant sa fructueuse collaboration avec Robert Guédiguian, initiée avec L'Armée du crime en 2009, Grégoire Leprince-Ringuet trouve des rôles forts dans Les Neiges du Kilimandjaro, Une histoire de fou, Gloria Mundi, Et la fête continue ! et La Pie voleuse. En parallèle, il tourne à nouveau pour Téchiné dans Nos années folles, campe le gérant du café dans Le noir (te) vous va si bien, Napoléon Bonaparte dans Le Cahier noir et le peintre Édouard Vuillard dans Bonnard, Pierre et Marthe.