Fils de la comédienne Myriam Boyer et du metteur en scène Roger Cornillac, Clovis Cornillac débute dans des téléfilms avant de faire partie du casting des jeunes acteurs de Hors-la-loi (1983) de Robin Davis, où il se révèle « delonien et boudeur » (revue Cinématographe). Coaché par Dominique Besnehard, il se produit ensuite au théâtre, où il est dirigé par Peter Brook. Clovis Cornillac se partage ensuite entre le cinéma et la scène.
On le voit dans des films de Philip Kaufman, John Berry, Pierre Boutron, ou Catherine Corsini. Ses rôles deviennent plus étoffés et il est le partenaire de Sylvie Testud dans Karnaval (1998) de Christian Vincent, pour lequel il est nommé au César du meilleur espoir masculin.
Dans les années 2000, Clovis Cornillac voit sa réputation se consolider et il obtient une nomination au César du meilleur acteur dans un second rôle pour À la petite semaine (2003) de Sam Karmann. Mais c’est avec son interprétation de star du football dans Mensonges et trahisons et plus si affinités… (2004) de Laurent Thirard, qu’il gagne le trophée.
Par la suite, Clovis Cornillac apparaît dans des films très divers, Benoît Notre-Dame, alias Cet Homme dans Un long dimanche de fiançailles (2004) de Jean-Pierre Jeunet, commissaire Valentin dans Les brigades du Tigre (2006) de Jérôme Cornuau, Astérix dans Astérix aux Jeux olympiques (2008) de Frédéric Forestier et Thomas Langmann, ou aventurier alcoolique dans Bellamy (2009) de Claude Chabrol.
Dans les années 2010, les bons films se font plus rares, et Clovis Cornillac tourne davantage des productions commerciales comme L’amour c’est mieux à deux (2010) de Dominique Farrugia et Arnaud Lemort. Mais on le voit aussi dans Les chatouilles (2018) d’Andréa Bescond et Éric Métayer, dans lequel il interprète le père de la petite fille, ou dans l’agréable Les vétos (2019) de Julie Manoukian. Clovis Cornillac est également passé à la réalisation.
