Os dois primeiros filmes de Javier Bardem no cinema são dirigidos pelo espanhol Bigas Luna: Las Edades de Lulú (1990) e Jamón, Jamón (1992) introduzem o ator aos personagens viris e fortemente sexuais, que ele mantém em Perdita Durango (1997), de Álex de la Iglesia. Seu primeiro papel como protagonista vem com Antes do Anoitecer (2000), no qual ele interpreta o poeta cubano Reinaldo Arenas. Ele é indicado ao Oscar pelo papel.

Em 2004, o papel do tetraplégico Ramón Sampedro em Mar Adentro lhe vale mais críticas excelentes, garantindo um convite à sua primeira produção Hollywoodiana: Colateral (2004), no qual divide a cena com Tom Cruise e Jamie Foxx. Sua ascensão nos Estados Unidos é consolidada pelo Oscar de melhor ator coadjuvante em Onde os Fracos Não Têm Vez (2007), no qual ele interpreta um sociopata.

Cada vez mais solicitado pelos grandes diretores, ele é chamado por Woody Allen para estrelar em Vicky Cristina Barcelona (2008), e participa de Biutiful (2010) de Alejandro González Inárritu e 007 - Operação Skyfall (2012) de Sam Mendes.

Depois de tanto trabalho duro, Bardem recebeu sua estrela na Calçada da Fama, exatamente o número 2484. 

Ainda em 2012, Bardem produziu o documentário Filho das Nuvens: A Última Colônia, onde também narrou o longa. Filhos das Nuvens mostra a crise política no Norte da África, que se agravou ainda mais por conta de grandes potências como os EUA.

Em 2017, estrelou ao lado de Johnny Depp ao interpretar o vilão Armando Salazar em Piratas do Caribe: A Vingança de Salazar. Mais tarde no mesmo ano, fez o filme Mãe!, no qual contracena ao lado de Jennifer Lawrence. Ainda, contracenou com sua esposa em um filme sobre Pablo Escobar e sua amante, chamado  Escobar - A Traição

Um ano depois, voltou a contracenar com sua esposa, Penélope Cruz para o filme do diretor Ashgar Farhadi, Todos Já Sabem. 

Depois de quase um ano sem atuar, Bardem voltou para o filme The Roads Not Taken. Em 2020, foi anunciado que ele interpretaria Stilgar, um Freemen, em uma nova adaptação do livro e filme de 1984 Duna de Frank Herbert. O longa ainda conta com grandes nomes como Timothée Chalamet, Zendaya, Oscar Isaac e outros. No mesmo ano, contracenou com Nicole Kidman em Being The Ricardos, um filme que mostra a relação profissional e amorosa entre Lucy Ball e Desi Arnaz enquanto estão resolvendo problemas judiciais e produzindo uma nova sitcom chamada "I Love Lucy". O longa o fez concorrer para um Globo de Ouro de Melhor Ator em Filme. 

Seus projetos futuros contam com a Segunda Parte de Duna, um remake de A Pequena Sereia no qual interpretará o Rei Tritão, pai de Ariel e dois filmes: Lyle, Lyle, Crocodile e A Noiva de Frankenstein.