Révélé à 16 ans par Bombi Bitt och Jag, une série télévisée dans laquelle il tient le rôle principal, le Suédois Stellan Skarsgard 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.
Stellan Skarsgard apparaît pour la première fois au cinéma en 1972 dans Firmafesten de Jan Halldoff, et devient bientôt l'un des acteurs les plus populaires de son pays, décrochant en 1982 le Guldbagge - équivalent suédois des Césars - pour son rôle dans L' Assassin candide, qui lui vaut également le Prix d'interprétation au Festival de Berlin. Remarqué par les cinéastes américains, il apparaît dans L'Insoutenable Légèreté de l'être de Philip Kaufman et À la poursuite d'Octobre rouge de John McTiernan.
En 1996, Stellan Skarsgard incarne un ouvrier paralysé, pour lequel la jeune Emily Watson est prête à se sacrifier, dans Breaking the Waves de Lars von Trier. Grand Prix du jury au festival de Cannes, le mélo 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 Skarsgard reste fidèle au cinéma scandinave. Flic ambigu dans Insomnia du Norvégien Erik Skjoldbjaerg qui donnera 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 & 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.
Il multiplie par la suite les rôles épiques: il interprète le roi Hrothgar dans Beowulf & Grendel, la légende viking en 2005, puis rejoint le casting royal de Pirates des Caraïbes en 2006 et 2007. Il fait, par la suite, une incursion dans l'univers médiéval pour les besoins de Arn, chevalier du Temple de Peter Flinth. Son allure ambiguë lui permet de décrocher le rôle de Goya aux côtés de Natalie Portman dans un film biographique imaginé par Milos Forman (Les Fantômes de Goya).
En 2011, il renoue avec le cinéma scandinave : dans la comédie décalée Un chic type, il campe le personnage d'Ulrik qui, après avoir purgé une peine de 12 ans pour meurtre, hésite entre se réconcilier avec sa famille brisée ou se venger des personnes qui l'ont envoyé en prison; dans le film norvégien Les révoltés de l'île du diable (Kongen av Bastøy), il est - en 1915 - le redoutable directeur du centre de détention pour ados de Bastøy.
Il est le père de l'acteur Alexander Skarsgård qui joue dans la série américaine True Blood.Mais il a aussi 6 autres enfants, Gustaf, Sam, Bill, Eija, Valter et Ossian.
