Stellan Skarsgård 1951. június 13-án született Göteborgban, Svédországban. Családja sokat költözött, így gyermek- és ifjúkorát több városban töltötte: Helsingborg, Totebo, Kalmar, Marielund és Uppsala.

Fiatalon, 21 évesen kapta első filmes munkáját. Kezdeti szereplései svéd tévé- és játékfilmekben voltak: Strandhugg i somras (1972), Anita (1973), Tabu (1977), Az együgyű gyilkos (1982), Alattomos, mint a víz (1985), Hip hip hurra! (1987).

Első külföldi nagyjátékfilmje, a Philip Kaufman által rendezett A lét elviselhetetlen könnyűsége (1988) című Kundera regényéből készült filmdráma volt, melyben Juliette Binoche és Daniel Day-Lewis társaságában szerepelt. Ezt ismét hazai produkciók követték: Täcknamn Coq Rouge (1989), Nők a tetőn (1989), Förhöret (1989), majd lehetőséget kapott a Sean Conneryvel legendássá vált Vadászat a Vörös Októberre (1990) című akciófilmben.

Pályája egyik legkiválóbb alakításai közé tartozik a náci uralom idején zsidókat mentő svéd üzletember, Raoul Wallenberg életét bemutató filmdráma címszerepének megformálása a Jó estét, Wallenberg Úr (1990) című alkotásban. A film kapcsán Eperjes Károly színművésszel dolgozott együtt. Szerepet kapott a Flashdance-szel hírnévre szert tett Jennifer Grey főszereplésével készült Szelek szárnyán (1992) című kalandfilmben, majd ismét skandináv filmekbe hívták: Abszolút nulla fok (1996), Álmatlanság (1997).

Lars von Trier filmrendezővel több közös munkájuk is született az évek során; az egyik legkiemelkedőbb a Hullámtörés (1996), melyben egy furcsa és perverz elemekkel teleszőtt szerelmi kapcsolat egyik résztvevője volt – feleségét, a készséges Bess-t, Emily Watson alakította. Trier másik két rendezése alkalmával is játszani hívta: Melankólia (2011), (2013), A nimfomániás 2. rész (2013).

Steven Spielberggel dolgozott együtt az Amistad (1997) történelmi filmdráma létrejötte során, de az 1997-ben bemutatott Gyilkosságra nevelve és a Good Will Hunting című filmdrámákban is szerepet vállalt. Jelentős filmjei a ’90-es évek végéből a Ronin (1998), a Háborgó mélység (1999) és az Aberdeen (2000), mely filmdráma főhősének megformálásáért az Európai Filmakadémia a legjobb férfi főszereplőnek járó díj esélyesei közé választotta 2000-ben, majd a Szembesítés (2001) című alkotásért szintén.

Björk mellett játszhatott a Táncos a sötétben (2000) című megrázó drámában, majd részese volt az olyan komoly és elismert alkotásoknak is, mint a Dogville - A menedék (20039 és a Goya kísértetei (2006), de a szórakoztató műfaj egyes népszerű elemeiben is szerepet vállalt: A Karib-tenger kalózai: Holtak kincse (2006), Mamma Mia! (2008), Thor (2011), Bosszúállók (2012).

Aktuális filmje a Hamupipőke (2015), míg a jövőben látható lesz a Bosszúállók: Ultron kora (2015) és a A mi emberünk (2015) című alkotásokban.

Első feleségétől, My-től 6 gyermeke született – közülök négyen szintén édesapjuk mesterségét választották. Másodszor 2007-ben nősült: jelenlegi nejétől, Megan Everettől két fia született.