W 1997 zadebiutował jako reżyser filmu krótkometrażowego Shabbat Night Fever.
Za kreację porywczego porucznika Maxa Kerkériana, byłego złodzieja samochodów, który wybrał pracę w policji, by poznać smak ryzyka w dreszczowcu Kassovitza Purpurowe rzeki (Le Rivières pourpres, 2000) z Jeanem Reno zdobył nominację do europejskiej nagrody Audience. Rola nieprzystosowanego chudego i wynędzniałego Paula ulegającego przemianie w dramacie kryminalnym Na moich ustach (Sur mes levres, 2001) była nominowana do nagrody Césara. W kontrowersyjnym dramacie Nieodwracalne (Irréversible, 2002) wcielił się w postać męża ofiary gwałtu analnego (Monica Bellucci), który szuka krwawej zemsty. Dobrze opanował brazylijską sztukę walki Capoeira, którą zademonstrował jako François Toulour w Ocean’s Twelve: Dogrywka (Ocean’s Twelve, 2004) i Ocean’s Thirteen (2007) z Bradem Pittem, Catherine Zeta-Jones, George’em Clooneyem, Julią Roberts i Andym Garcią. Za rolę kryminalisty Jacques’a Mesrine w biograficznym filmie gangsterskim Wróg publiczny numer jeden (Mesrine, 2008) otrzymał Cezara dla najlepszego aktora i nagrodę na Festiwalu Filmowym w Tokio.