Il apparaît pour la première fois sur grand écran en 1998, pour un petit rôle dans le thriller The Tale of Sweety Barrett, écrit et réalisé par Stephen Bradley. Il enchaîne ensuite une poignée de rôles dans des films et mini-séries britanniques, comme notamment The Way We Live Now, en 2001 ou en reprenant le rôle de Pig dans deux versions cinématographiques de Disco Pigs. En 2002, il est révélé auprès d'une audience internationale pour sa prestation dans le long métrage britannique, 28 jours plus tard, film de morts-vivants réalisé par Danny Boyle. Ce film lance sa carrière et lui permet de partir pour Hollywood, le temps d'apparaître dans un film indépendant irlandais, Intermission de John Crowley. Cette même année, il joue dans le drame indépendant La Jeune Fille à la perle de Peter Webber, porté par Scarlett Johansson, puis dans la fresque australienne Retour à Cold Mountain d'Anthony Minghella. En 2005, il parvient à se faire remarquer en incarnant des antagonistes complexes et inquiétants : d'abord l'iconique Dr Jonathan Crane / l'Épouvantail dans le blockbuster Batman Begins de Christopher Nolan, puis l'inquiétant Jackson Rippner dans le thriller Red Eye : Sous haute pression de Wes Craven. Mais c'est son rôle principal dans la comédie dramatique anglo-irlandaise Breakfast on Pluto de Neil Jordan qui lui vaut une poignée de nominations et quelques récompenses.
En 2005, il parvient à se faire remarquer en incarnant des antagonistes complexes et inquiétants : d'abord l'iconique Dr Jonathan Crane / l'Épouvantail dans le blockbuster Batman Begins de Christopher Nolan, puis l'inquiétant Jackson Rippner dans le thriller Red Eye : Sous haute pression de Wes Craven. Mais c'est son rôle principal dans la comédie dramatique anglo-irlandaise Breakfast on Pluto de Neil Jordan qui lui vaut une poignée de nominations et quelques récompenses. En 2006, il reste en Irlande pour mener la fresque historique Le vent se lève de Ken Loach, acclamée par la critique.
En 2007, Danny Boyle lui refait confiance en lui attribuant le rôle principal du film de science-fiction Sunshine. Il donne aussi la réplique à Lucy Liu dans la comédie romantique Watching the Detectives écrit et réalisé par Paul Soter. En 2008, il partage l'affiche du biopic romantique anglais The Edge of Love de John Maybury, avec Keira Knightley et Sienna Miller et reprend brièvement le rôle de Dr Jonathan Crane / l'Épouvantail pour The Dark Knight : Le Chevalier noir de Christopher Nolan1. En 2009, il est à l'affiche du polar irlandais Perrier's Bounty (en) de Ian Fitzgibbon.
En 2010, il retourne aux États-Unis pour le double-rôle du thriller Le Secret de Peacock, avec Susan Sarandon et Ellen Page, et retrouve Christopher Nolan pour le blockbuster de science-fiction Inception de Christopher Nolan, où il incarne la cible Robert Michael Fischer, Jr., auprès de Leonardo DiCaprio. La même année, il fait un caméo dans Tron : L'Héritage de Joseph Kosinski. En 2011, il est à l'affiche du thriller britannique Retreat de Carl Tibbetts et du polar futuriste américain Time Out d'Andrew Niccol, où il joue l'ennemi du héros incarné par Justin Timberlake. L'année 2012 est diversifiée : il porte le thriller international Red Lights, écrit et réalisé par Rodrigo Cortés, entouré de Robert De Niro et Sigourney Weaver puis le drame britannique Broken de Rufus Norris. Il refait aussi une apparition sous les traits de Jonathan Crane dans The Dark Knight Rises2. En 2014, il donne la réplique à Jennifer Connelly dans le drame indépendant Aloft de Claudia Llosa et participe à un long métrage produit par Christopher Nolan, le thriller de science-fiction Transcendance de Wally Pfister, avec Johnny Depp dans le rôle principal. Cette dernière production est un échec tant commercial que sur le point de la critique.[réf. nécessaire] L'acteur s'est néanmoins tourné vers la télévision : il est en effet depuis 2013 le héros de la série télévisée britannique historique acclamée Peaky Blinders3. En 2017, il est à l'affiche du nouveau film de Christopher Nolan, Dunkerque.