Figlio del noto attore Jean-Pierre Cassel e della giornalista Sabine Cassel-Lanfranchi, Vincent Crochon (questo il vero cognome del padre) si iscrive dopo la scuola a una scuola circense prima di frequentare vari corsi di recitazione, tra cui l'Actor's Institute di New York. Tra il 1988 e il 1990 ottiene i suoi primi ingaggi in ruoli di contorno, debutta al cinema in una parte più consistente nel 1991 con Les Clès du paradis. L'anno seguente è nel cast di un TV movie intitolato Amore e cioccolato dove recita accanto a Bo Derek. È determinante per la sua carriera futura l’incontro con il giovane attore, sceneggiatore e regista Mathieu Kassovitz che lo dirige nella commedia Meticcio (1993). A Kassovitz stanno particolarmente a cuore evoluzioni e involuzioni dell’integrazione razziale a Parigi. Il film successivo infatti esplora sempre questo tema, ma lo fa scavando nelle banlieue e mostrando la deriva della violenza urbana. Il titolo è L'odio - La Haine (1995), un'opera splendida pluripremiata che riceve un grande successo di pubblico e ottime critiche, aprendo le porte tanto a Kassovitz quanto a Cassel.
L'attore ha la reputazione di essere piuttosto impulsivo ed è forse per questo motivo che si trova a suo agio in personaggi energici, come nell'action Dobermann (1997) o nello storico rivisitato Giovanna D’Arco (1999) di Luc Besson. Tuttavia è grazie a un ruolo timido e introverso di qualche anno prima in L'appartamento (1996) che incontra Monica Bellucci con la quale vivrà una vita di coppia fino al 2013 dando alla luce due figlie (Deva nel 2004 e Léonie nel 2010). Insieme la coppia gira anche Il patto dei lupi (2001), Irréversible (2002) e Agents secrets (2004). Ma Vincent sa essere convincente persino in ruoli diversi e opposti, interpretando un figlio di papà in L'elève (1996) o un disoccupato appena uscito di prigione in Sulle mie labbra (2001) di Jacques Audiard.
Dal 1998 Cassel diventa un attore richiesto da produzioni internazionali. Gli viene affidata una parte di contorno in Elizabeth con Cate Blanchett e una da co-protagonista insieme a Mathieu Kassovitz in Birthday Girl (2000), in cui entrambi recitano accanto a Nicole Kidman. Diretto nuovamente dall’amico gira in seguito I fiumi di porpora (2000), tratto dal best seller di Jean-Christophe Grangé, che si rivela un ottimo successo commerciale. Nel 2004 entra nel cast all star di Ocean's Twelve, per il quale tornerà del terzo film della serie. Nello stesso anno è protagonista del western visionario Blueberry (2004), mentre l'anno dopo è il villain del thriller Derailed - Attrazione letale con Clive Owen e Jennifer Aniston.
L'attore torna alle produzioni francesi con la comedy horror Sheitan (2006), ma soprattutto con il film in due parti Nemico Pubblico n.1 (2008) in cui interpreta il criminale Jacques Mesrine che mise a soqquadro la Francia negli anni 70. Il ruolo gli vale il suo primo César per la migliore interpretazione. È ancora dall’estero che arrivano offerte non rifiutabili. Prima è David Cronenberg a chiamarlo per diventare un mafioso russo in La promessa dell’assassino (2007), poi è Darren Aronofsky invece a volerlo nella parte del tirannico coreografo di Natalie Portman ne Il cigno nero (2011). Indossa il saio per trasformarsi nel thriller francese Il monaco (2011) di Dominik Moll, prima di ritornare a recitare in produzioni internazionali. Cronenberg richiede nuovamente la sua presenza in A Dangerous Method (2011) per interpretare l'allievo di Sigmund Freud. Successivamente è Danny Boyle a scritturarlo per il thriller In Trance (2013).
Suo è il doppio ruolo del Principe/Bestia nell'adattamento fantasy di produzione interamente francese de La bella e la bestia (2013) in cui divide lo schermo con Léa Seydoux. Il 2015 lo vede tra i protagonisti di Child 44 tratto dal best seller di Tom Rob Smith e ispirato al serial killer conosciuto come il Mostro di Rostov. Nello stesso anno figura anche tra gli interpreti di Il racconto dei racconti di Matteo Garrone, selezionato per il concorso del 68° Festival di Cannes.