Passionné très tôt par la comédie, Denis Lavant s'adonne au mime et au théâtre de rue, puis intègre le Conservatoire, où il a pour professeur Jacques Lassalle. Il trouve son premier rôle dans un téléfilm de Luc Béraud, L'Ombre sur la plage, et apparait au cinéma dans Les Misérables d'Hossein en 1982. Mais, si on l'aperçoit bientôt dans des films de Diane Kurys et Chéreau, il se consacre surtout au théâtre.

C'est en consultant le fichier de l'ANPE des artistes que le jeune Leos Carax, à la recherche du héros de son premier long métrage, Boy meets girl, remarque Denis Lavant en 1983. Il lui confie le rôle d'Alex, un écorché vif qui sera également au centre de ses deux films suivants. Devenu l'alter ego du cinéaste-culte des années 80, l'acteur au visage buriné est le partenaire de Juliette Binoche dans le poétique Mauvais sang (1986) puis dans Les Amants du Pont-Neuf (1991), le récit d'une passion entre deux vagabonds, qui nécessite trois années de tournage, et exige du comédien une préparation intensive.

C'est le plus souvent sur les planches que Denis Lavant connaît des expériences aussi fortes que celles qu'il a vécues auprès de Leos Carax. Il est néanmoins choisi par quelques francs-tireurs du 7e art, de Patrick Grandperret (Mona et Moi) à Simon Reggiani (De force avec d'autres). Délinquant en voie de réinsertion dans Visiblement, je vous aime, joueur taciturne dans La Partie d'échecs, l'acteur au jeu très physique et au regard inquiétant trouve un de ses rôles les plus marquants, celui d'un adjudant, dans le film-ballet Beau travail de Claire Denis (2000). Tandis que l'amateur de trognes Jean-Pierre Jeunet l'embarque dans une autre aventure militaire, Un long dimanche de fiançailles en 2004, le quadragénaire forme avec Isild Le Besco un couple inattendu dans Camping sauvage, premier film présenté à Berlin en 2006.

Jamais très loin de son cinéaste et ami, il retrouve Carax devant la caméra pour Mister Lonely, où il incarne ni plus ni moins que Charles Chaplin. Il joue aussi dans le segment "Merde" du réalisateur pour le film Tokyo !, marquant les spectateurs avec son personnage troublant éponyme créant la panique dans la capitale japonaise. Adepte de projets atypiques, il endosse l'habit du Capitaine Achab puis celui de l'ogre dans une relecture du Petit Poucet par Marina De Van en 2010. Artiste complet, comédien sur tous les fronts, on peut le voir à la fois au théâtre, au cinéma, à la télévision, dans des téléfilms, des courts ou des longs métrages. Privilégiant l'originalité plutôt que la popularité, il se singe lui-même dans HH, Hitler à Hollywood, avant de reprendre les traits d'un homme illustre, en l’occurrence l'astronome Johannes Kepler dans L'Œil de l'astronome de Stan Neumann (2011).

Il apparaît par la suite dans le film autobiographique et polémique d'Eva Ionesco, My Little Princess, avant de retrouver son réalisateur attitré Leos Carax pour son retour au long métrage depuis 13 ans, Holy Motors. Phénomène au 65ème Festival de Cannes où il a été présenté, le film rappelle aux spectateurs la force du jeu de Denis Lavant (11 rôles à lui tout seul dans ce seul film !), figure troublante, originale et puissante du cinéma français.