Nato a Leningrado l’11 marzo del 1989, si era trasferito negli Stati Uniti nel dicembre di quello stesso anno al seguito dei genitori, che chiesero lo status di rifugiati politici, esordì nella recitazione a soli 9 anni.
Nel 2001, a 15, recita a fianco a Morgan Freeman in Nella morsa del ragno e di Anthony Hopkins in Cuori in Atlantide.
Tra i suoi film più noti, oltre ai due Star Trek diretti da J.J. Abrams e a quello ancora inedito di Justin Lin, sono da ricordare molti bei film indipendenti degli ultimi anni, come Alpha Dog e la commedia con Robert Downey Jr. Charlie Bartlett, di cui era protagonista assoluto.
Yelchin è stato anche protagonista del remake di Fright Night e di Like Crazy di Drake Doremus, mentre tra le sue interpretazioni più recenti sono da ricordare quelle in Burying the Ex di Joe Dante e in Il nemico invisibile di Paul Schrader, al fianco di Nicolas Cage.