Ha frequentato il corso di recitazione alla Scuola Nazionale di Cinema. Attore di cinema, teatro e televisione, ha raggiunto il grande pubblico con il film Tre metri sopra il cielo, con il quale nel 2004 ha vinto il Globo d’oro per il miglior attore esordiente.

Nel 2007 escono nelle sale quattro suoi film: Mio fratello è figlio unico, diretto da Daniele Luchetti, Manuale d'amore - Capitoli successivi di Giovanni Veronesi, Go Go Tales di Abel Ferrara e Ho voglia di te, per la regia di Luis Prieto.

Nel 2008 ritorna sul grande schermo con il thriller Colpo d'occhio, diretto da Sergio Rubini; a questo film fanno seguito nel 2009: Italians di Giovanni Veronesi, Il grande sogno di Michele Placido, Verso l'eden di Costa-Gavras e La prima linea di Renato De Maria.

Nel 2010 è il regista Ferzan Özpetek a sceglierlo come protagonista del film campione d’incassi Mine Vaganti.

Nel 2011 è protagonista del film Manuale d'amore 3 di Giovanni Veronesi e recita a teatro nel Romeo e Giulietta con la regia di Valerio Binasco, accanto a Deniz Özdogan. 

Insieme a Valeria Golino e Viola Prestieri fonda la casa di produzione Buena Onda; nel 2016 produce Pericle il nero - presentato a Cannes 69 nella sezione Un Certain Regard - preceduto da Per amor vostro di Giuseppe Mario Gaudino che all’ultima Mostra del Cinema di Venezia ha fatto meritare alla protagonista Valeria Golino la Coppa Volpi. Nel 2013 hanno prodotto il pluripremiato film Miele, diretto da Valeria Golino e interpretato da Jasmine Trinca e Carlo Cecchi. Sempre della Buena Onda è Armandino e il Madre, cortometraggio diretto da Valeria Golino e il documentario L’uomo doppio di Cosimo Terlizzi.

Nel 2013 gira per la regia di Rocco Papaleo Una piccola impresa meridionale.  È coprotagonista del film Gibraltar in Francia ed è al fianco di Emma Thompson nel film tv girato in Inghilterra Effie Gray di Richard Laxton. Sempre nello stesso anno è stato protagonista del film Un ragazzo d’oro di Pupi Avati con Sharon Stone. Nel 2014 è alla Mostra del cinema di Venezia per presentare Pasolini dove interpreta Ninetto Davoli diretto da Abel Ferrara e in veste di produttore con la Lebowski presenta La vita oscena di Renato De Maria, in concorso nella sezione Orizzonti.

Nel frattempo ha girato La prima luce di Vincenzo Marra e Il Sapore del Successo (Burnt) di John Wells, produzione americana al fianco di Bradley Cooper. Alla fine del 2014 è nel cast di London Spy serie tv targata BBC diretta da Jacob Verbrugge.

Il 2015 lo vede protagonista in Nessuno si salva da solo per la regia di Sergio Castellitto insieme a Jasmine Trinca. Sempre nel 2015 ha girato in Azerbaijan il film inglese Ali and Nino di Asif Kapadia, Pericle il nero di Stefano Mordini ambientato in Belgio e tratto dall’omonimo libro di Giuseppe Ferrandino, e Io che amo solo te diretto da Marco Ponti.

Tra la fine del 2015 e l’inizio del 2016 si divide tra New York e Roma per girare John Wick: Chapter Two di Chad Stahelski con Keanu Reeves. Nello stesso anno gira La verità sta in cielo di Roberto Faenza e Dalida di Lisa Azuelos. Ha da poco concluso in Puglia le riprese de La cena di Natale, sempre diretto da Marco Ponti.