Né à Istanbul, c’est pourtant à Paris que Tchéky Karyo passe sa jeunesse et étudie la comédie au Théâtre Cyrano avant de rejoindre la Compagnie Daniel Sorano. Entré au Théâtre National de Strasbourg, il s'y produit dans les grands classiques (Tartuffe, Macbeth, Othello), ainsi que dans des pièces contemporaines. En 1982, Tchéky Karyo apparaît pour la première fois au cinéma dans Toute une nuit de Chantal Akerman.

La même année, il est cité au César du Meilleur espoir masculin pour son rôle de Petrovic dans La Balance. Dès lors, l'acteur se spécialise dans les rôles violents : truand dans Le Marginal (1983), il assassine Sophie Marceau dans L' Amour braque (1985). Parallèlement, Tchéky Karyo incarne des personnages plus nuancés comme Rémi, un mari délaissé par Pascale Ogier, dans Les Nuits de la pleine lune (1984), ou encore Etienne de Bourbon, un abbé traquant des hérétiques, dans Le Moine et la sorcière (1987).

En 1988, sa prestation de chasseur dans L'Ours lui ouvre les portes de la célébrité. Le grand public l'identifie ensuite au mentor d'Anne Parillaud dans Nikita (1990). Il retrouvera le réalisateur Luc Besson pour les besoins de Jeanne d'Arc en 1999 et dans l'une de ses productions, Le Baiser mortel du dragon, en 2001.

Dans les années 90, la notoriété qu'il acquiert en France lui permet d'orienter sa carrière vers l'international. Apparaissant aux côtés de Gérard Depardieu dans 1492 : Christophe Colomb (1992), Tchéky Karyo fait face à Will Smith et Martin Lawrence en dangereux criminel dans Bad boys (1995). Il interprète également un flic corrompu dans Crying Freeman (id.), un ministre de la défense russe dans GoldenEye (id.), un soldat français prêtant main forte à Mel Gibson dans The Patriot, le chemin de la liberté (2000), un scientifique dans Fusion - The Core (2003) ou encore un flic, complice de Nick Nolte, dans L'Homme de la Riviera (id.).

Il fait également une incursion dans la comédie romantique en jouant dans Addicted to love (1997) de Griffin Dunne et tourne régulièrement en Italie (Coup de lune (1995), Terre lointaine (id.), Albergo Roma (1996)). De retour en France, Tchéky Karyo traque inlassablement Vincent Cassel et Monica Bellucci dans Dobermann (1997) de Jan Kounen, et incarne tour à tour Nemrod dans le film fantastique Babel (1998) ainsi que Molière dans Le Roi danse (2000) de Gérard Corbiau. Après un détour par Montréal pour donner la réplique à Angelina Jolie dans le polar Taking lives, destins violés (2004), il revient en Europe intégrer les castings du drame Utopia (id.), de la comédie d'Arthur Joffé Ne quittez pas ! (id.) et du drame historique Un Long dimanche de fiançailles (2004) de Jean-Pierre Jeunet. En 2005, il endosse le rôle du chevalier dans l'adaptation du roman d'aventure Jacquou Le Croquant.

Après la coproduction franco-italienne Le Mas des Allouettes (2007), il tourne sous la direction de Jane Birkin dans Boxes (id.). Il se consacre en 2008 aussi bien à la production télévisuelle avec L'Affaire Bruay-en-Artois qu’au cinéma dans la comédie horrifique Les Dents de la nuit et Un homme et son chien, qui signe le retour de Jean-Paul Belmondo sur le grand écran. En 2009, la télévision continue à lui faire les yeux doux : il apparaît en chef de guerre dans 7 épisodes de la série d’Alexandre Astier, Kaamelott. En 2011, 11 ans après Nikita, il incarne une nouvelle fois un mentor, celui de la tueuse à gages Mélanie Laurent dans Requiem pour une tueuse, puis il intègre les Forces spéciales aux cotés de Benoît Magimel avant de faire partie du gang des Lyonnais avec Gérard Lanvin.

Si, en 2012 l'acteur se fait plutôt discret devant les caméras, 2013 est une année plus faste puisqu'on le voit à l'affiche des succès Jappeloup de Christian Duguay et Belle et Sébastien de Nicolas Vanier. Le comédien continue également de travailler pour le cinéma d'auteur en tournant sous la direction de Nolwenn Lemesle dans Des Morceaux de moi au côté de la débutante Adèle Exarchopoulos. Mais surtout, Tchéky Karyo se fait de plus en plus présent à la télévision, en incarnant un gangster dans la deuxième saison de No Limit ainsi qu'un policier dans la série anglaise The Missing.

Indissociable d'une certaine mouvance du polar à la française, Tchéky Karyo compte parmi ses derniers films les très sombres De guerre lasse d'Olivier Panchot et La Résistance de l'air de Fred Grivois. Il continue d'explorer ce registre dans Les Brigands du tandem Pol Cruchten et Frank Hoffmann, tout en reprenant son rôle de César dans Belle et Sébastien : l'aventure continue.