Javier Bardem a évolué dans l'univers du cinéma durant son enfance. Il est le neveu du réalisateur espagnol Juan Antonio Bardem, un opposant au franquisme, ses grands-parents (Rafael Bardem) étaient acteurs de cinéma, et sa mère Pilar Bardem comédienne madrilène de théâtre. Ses parents, Carlos Encinas et Pilar Bardem, s'étant séparés alors qu'il était encore jeune, il est élevé par sa mère à Madrid avec son frère Carlos et sa soeur aînés Monica, tous deux devenus également acteurs. Durant son adolescence il pratique le rugby à un haut niveau, en étant sélectionné dans l'équipe nationale espagnole junior au poste de pilier droit. Il apparait à l'âge de six ans dans le film El Pícaro mais fait ses réels débuts en 1989 dans Las edades de Lulú de Bigas Luna.
Depuis 2008, il vit avec l'actrice
Penelope Cruz, qu'il a épousé dans l'intimité aux Bahamas début juillet 2010. Leur premier enfant, un garçon prénommé Léo Encinas Cruz, est né le 22 janvier 2011 au Centre médical Cedars-Sinai de Los Angeles.
Bigas Luna le fait débuter dans Les Amours de Lulu avant de lui confier successivement les rôles vedettes du toréador de Jambon, jambon en 1992 aux côtés de Penélope Cruz, et du play-boy homme d'affaires de Macho, deux rôles qui feront du comédien une figure incontournable du cinéma espagnol. Récompensé consécutivement par les Goya du meilleur second rôle en 1995 pour Dias contados et du meilleur acteur en 1996 pour Bouche à Bouche, Bardem devient en Espagne l'un des acteurs les plus populaires. Pedro Almodóvar lui offre la consécration à sa manière en lui donnant le rôle d'un flic paraplégique dans En chair et en os en 1997. Il est alors surnommé « The Spanish Hunk » (le balèze espagnol) et fut considéré avec Antonio Banderas comme le nouvel étalon latin.
Dans les années 2000, il entame une carrière américaine sans délaisser son pays d'origine. Dans
Avant la nuit de Julian Schnabel, il incarne Reinaldo Arenas, écrivain cubain homosexuel et persécuté par le régime castriste. Pour ce film, il reçoit sa première Coupe Volpi à Venise en 2000 et une nomination à l'Oscar du meilleur acteur en 2001. Il se distingue ensuite dans le rôle de Santa, un chômeur du port industriel de Vigo en Galice perdant peu à peu espoir dans Les Lundis au soleil de Fernando León. Grâce à son interprétation, il gagne un second Goya du premier rôle en 2003. En 2004, Mar adentro d'Alejandro Amenábar marque un sommet dans sa carrière. Dans cette histoire axée sur des faits réels, il campe, méconnaissable, le rôle de Ramón Sampedro, un tétraplégique qui s'est illustré en revendiquant jusqu'à sa mort le droit de mourir pour lui et les autres tétraplégiques. Sa prestation lui vaut une seconde Coupe Volpi à Venise, un premier European Award et un troisième Goya du meilleur acteur. Il joue ensuite dans The Dancer Upstairs de John Malkovich et Collatéral de Michael Mann, puis incarne un inquisiteur dans Les Fantômes de Goya réalisé par Milo? Forman et un armateur amoureux dans L'Amour aux temps du choléra de Mike Newell, tiré du roman éponyme de Gabriel García Márquez.
En 2008, il incarne deux personnages marquants et opposés :
- Anton Chigurh, le terrible tueur froid et méthodique balayant tout sur son passage dans le film de Joel et Ethan Coen No Country for Old Men, adapté de Cormac McCarthy (ce rôle lui vaut l'Oscar du meilleur acteur dans un second rôle 2007, ainsi que le Golden Globe, le Screen Actors Guild Award et le BAFTA équivalent).
- Juan Antonio, le peintre charmeur et hédoniste, héros de la comédie réalisée par Woody Allen : Vicky Cristina Barcelona.
En 2010, il interprète Uxbal, un père de famille barcelonais malade prêt à tout pour sauver ses enfants dans Biutiful du Mexicain Alejandro González Iñárritu. Sa performance fait l'unanimité au Festival de Cannes où il reçoit le Prix d'interprétation masculine, ex-æquo avec l'acteur italien Elio Germano pour son rôle dans La nostra vita de Daniele Luchetti.
Avec l'association Médecins sans frontières, Javier Bardem a produit un documentaire sur les « guerres oubliées ».