Acteur anglais, Tim Roth débute au théâtre et à la télévision britannique dans des téléfilms comme Made in Britain d'Alan Clarke, puis fait ses débuts au cinéma dans The Hit de Stephen Frears en 1984. Son rôle de Myron, un tueur à gages chargé de kidnapper et ramener Terence Stamp au pays, fait de lui l'un des comédiens de sa génération à suivre.

Par la suite, il enchaîne les seconds rôles de petite envergure dans des films plus ou moins passés inaperçus auprès du grand public, dont Un monde à part de Chris Menges, en 1988. C'est grâce à Robert Altman et son Vincent et Théo (1990) qu'il obtient son premier grand rôle, en interprétant Vincent Van Gogh. En 1990, il est également en tête d'affiche de Rosencrantz and Guildenstern sont morts, une adaptation très libre de Hamlet qu'il joue aux côtés de son ami Gary Oldman, avec qui il a débuté au théâtre.

Féru de cinéma indépendant, il reste un acteur assez confidentiel durant de nombreuses années, avant de se faire remarquer par le public américain en 1992 grâce à Reservoir Dogs, de Quentin Tarantino, dans lequel il interprète un flic sous couverture. En 1994, il retrouve Tarantino qui écrit pour lui le rôle de 'Pumpkin', l'un des braqueurs malhabiles de Pulp Fiction. S'en suivent une nomination aux Oscars (meilleur second rôle) pour sa composition du vil Archibald Cunningham dans Rob Roy de Michael Caton-Jones (1995), ainsi qu'un autre excellent premier rôle dans le brillant Little Odessa de James Gray.

En 1999, il passe derrière la caméra pour réaliser The War Zone, son premier film, avant de revenir à son métier d'acteur. Habitué aux rôles de vilains, il se forge peu à peu une image de méchant et prête régulièrement ses traits à des personnages peu commodes : ainsi, en 2001, il est tour à tour le redoutable général Thade de La Planète des singes, de Tim Burton, puis l'odieux Febre dans le D'Artagnan de Peter Hyams, deux films plus commerciaux, mais qui prouvent qu'il est un comédien polyvalent, pouvant alterner cinéma populaire et cinéma d'auteur.

Après Silver City de John Sayles, il tourne dans le film de Wim Wenders en compétition à Cannes Don't come knocking, donnant la réplique à Sam Shepard et à Jessica Lange. L'année 2005 marque sa seconde incursion dans le cinéma fantastique, sous la direction de Walter Salles. Dans cette version américaine de Dark water, il incarne un psychologue peu conventionnel qui aide Jennifer Connelly à surmonter ses angoisses. Sollicité en 2007 par Francis Ford Coppola pour incarner le difficile rôle-titre de son Homme sans âge, l'acteur apparaît ensuite à l'affiche du Funny Games de Michael Haneke, remake de la version originale sortie en 1998. Pour une fois, il n'y joue pas les bourreaux mais les victimes, phénomène rare dans la carrière du comédien.

Mais il se rattrape en 2008, grâce à Louis Leterrier, qui lui offre de jouer le terrible Abomination dans L'Incroyable Hulk. Il met ensuite son côté inquiétant au profit de la série Lie To Me, où il incarne un psychologue inquisiteur, expert en détection de mensonges, qui déstabilise ses interlocuteurs en débusquant leurs secrets les plus enfouis. En 2012, il joue les pères de famille dans un drame britannique plus confidentiel remarqué à Cannes, intitulé Broken, avant de plonger dans les méandres d'un drame sur le milieu de la finance avec Arbitrage, aux côtés de Richard Gere. Puis, l'acteur rejoint le casting de Möbius (2013), où il est au coeur d'une histoire d'espionnage avec Jean Dujardin et Cécile de France.

Friand de biopics, Tim Roth incarne le prince Rainier III dans Grace de Monaco, livre une version édulcorée de Sepp Blatter dans United Passions et se met dans la peau du ségrégationniste George Wallace avec Selma. Il tient ensuite le rôle principal de Chronic, prix du scénario de la compétition cannoise 2015 avant de retrouver Tarantino et ses Hateful Eight. On le voit également dans le drame Chronic du Mexicain Michel Franco, un cinéaste qu'il retrouve en 2022 pour le très sombre Sundown. Variant projets, Tim incarne un agent se liant d'amitié avec un jeune trafiquant d'armes dans 600 Miles, le père du protagoniste de l'explosif Hardcore Henry et forme un couple d'escrocs avec Uma Thurman dans Les As de l'arnaque.

Côté télé, le natif de Londres joue un personnage récurrent dans la nouvelle saison de Twin Peaks: The Return et surtout campe le rôle-titre de Tin Star. Dans cette série violente, il campe un agent britannique expatrié au passé trouble, pourchassé par la mafia jusqu'en Alaska, où il vit avec sa famille et oeuvre en tant que chef de la police d'un village perdu. Il goûte aussi à des registres plus légers comme avec la série Marvel disponible sur Disney + She-Hulk : Avocate. Parallèlement, Tim Roth n'en oublie bien évidemment pas le cinéma et part à la recherche du violoniste Dovidl Rapoport dans le film historique Le Prodige inconnu et tourne sous la direction de Mia Hansen-Løve dans Bergman Island, très bien reçu par la critique.