Révélé à 16 ans par Bombi Bitt och Jag, une série télévisée dans laquelle il tient le rôle principal, le Suédois Stellan Skarsgård rejoint en 1972 le Théâtre Royal de Stockholm. Il en devient un des piliers, travaillant, durant quinze ans, sous la direction des plus grands metteurs en scènes scandinaves, parmi lesquels Ingmar Bergman.
En 1996, Stellan Skarsgård incarne un ouvrier paralysé, pour lequel la jeune Emily Watson (qu'il retrouvera 23 ans plus tard dans la mini-série Chernobyl) est prête à se sacrifier, dans Breaking the Waves de Lars von Trier. Grand Prix du jury au festival de Cannes, le mélodrame danois donne un coup d'accélérateur à la carrière internationale du comédien. On le retrouve alors à l'affiche de films hollywoodiens, des plus intimistes (Will Hunting de Gus Van Sant) aux plus spectaculaires (Ronin, de John Frankenheimer, Le Roi Arthur). Steven Spielberg choisit l'acteur au regard tantôt inquiétant tantôt bienveillant pour incarner un homme d'affaires abolitionniste dans Amistad.
Parallèlement à sa carrière américaine, Stellan Skarsgård reste fidèle au cinéma scandinave. Flic ambigu dans Insomnia du Norvégien Erik Skjoldbjærg qui donne lieu à un remake avec Al Pacino, il retrouve Lars von Trier pour Dancer in the Dark, et l'aventure Dogville en 2003. L'acteur prend part à des projets aussi singuliers que Time Code, film expérimental du Britannique Mike Figgis, et Signs and Wonders de Jonathan Nossiter, dans lequel il émeut en père complice et superstitieux. En reprenant en 2003 le rôle du Père Merrin dans le prequel de L'Exorciste, l'acteur suédois marche sur les pas de son glorieux aîné, Max von Sydow.
En France, Jacques Frantz (décédé en mars 2021) a été la voix française la plus régulière de Stellan Skarsgård. Gabriel Le Doze lui a succédé, prêtant sa voix à l'acteur à sept reprises.