Nace en 1956 en la localidad leonesa de Riaño, de donde era su familia y donde heredó una vivienda antes de la demolición del pueblo para la construcción del pantano. Su infancia y juventud la pasó en la localidad vasca de Ermua. Comenzó la carrera de maestría industrial en electrónica en la escuela eibarresa de Formación Profesional Escuela de Armería, estudios que abandonó para dedicarse definitivamente a la interpretación, integrando varias compañías de teatro independiente en el País Vasco.

Pronto se instala en Madrid e inicia una intensa actividad teatral entrando en el Centro Dramático Nacional, lo que le ayuda a debutar en el cine con la película La Corea (Pedro Olea, 1976).

Más adelante viaja a Cuba para interpretar su primer papel protagonista en Cecilia (Humberto Solás, 1980). En 1982 trabaja con Pedro Almodóvar y Antonio Banderas en Laberinto de pasiones, aunque se hará muy popular entre el público gracias a la serie televisiva Anillos de oro y a la película Demonios en el jardín, de Manuel Gutiérrez Aragón, que protagoniza junto a Ángela Molina y Ana Belén.

Destaca después su interpretación de un joven sacerdote en Bearn o La sala de las muñecas, de Jaime Chávarri, un sufrido homosexual en La muerte de Mikel, de Imanol Uribe y un introvertido científico en Tiempo de silencio, dirigida por Vicente Aranda, con quien inicia una larga colaboración que le unirá a Victoria Abril en otras dos películas y a la italiana Ornella Muti en El amante bilingüe (1993).

Tras varios años vinculado a roles de galán, su consagración definitiva llega en 1987 con El Lute, también de Aranda, cuya primera entrega le valió la Concha de Plata al mejor actor en el Festival de Cine de San Sebastián. Dos años después, regresa a televisión con Brigada Central y lleva Calígula de Albert Camus, un montaje de éxito especialmente en Argentina, país que le profesa un afecto recíproco desde su papel de 1984 en Camila, de María Luisa Bemberg, nominada a los premios Óscar como Mejor película de habla no inglesa en 1985.

Con Intruso (1993), última colaboración con Vicente Aranda y Victoria Abril, logra su cuarta candidatura al Goya, perdiendo esta vez frente a Juan Echanove. El reencuentro con Pedro Almodóvar se produce en La flor de mi secreto (1995), con un papel secundario que da réplica a Marisa Paredes y, al año siguiente, debuta en la dirección con Un asunto privado, thriller protagonizado por Pastora Vega y Antonio Valero. En 1997 protagoniza junto a Emma Suárez la serie Querido maestro, a la que después se sumará Ana Duato, actriz muy ligada a su trayectoria televisiva.

Tras encarnar al científico Severo Ochoa en una producción de TVE, Imanol y Ana protagonizan desde 2001 la exitosa serie Cuéntame cómo pasó. El de Antonio Alcántara se convierte en uno de los personajes más populares y reconocidos de su carrera, alzándose con varios premios de interpretación en los últimos años. En 2003 pone la voz a Baltasar en la película de Antonio Navarro titulada Los Reyes Magos, y en 2006 rueda a las órdenes de Josetxo San Mateo la comedia La semana que viene (sin falta).

En reconocimiento a su extensa carrera cinematográfica, recibió en 2003 el Premio Málaga otorgado en el marco del Festival de Cine Español de Málaga, e inauguró un monolito en su honor en el Paseo Antonio Banderas de la ciudad andaluza.