Romain Duris fait ses débuts cinématographiques dans « Le Péril Jeune » de Cédric Klapisch (1994).
Sollicité par la jeune génération du cinéma français Romain Duris devient vite l'un des comédiens les plus populaires de sa génération. Il tourne avec Olivier Dahan dans « Déjà mort », incarne le père d’Alain Belmondo dans le film d'anticipation de Cédric Klapisch « Peut-être » (1999). Une forte complicité se noue également avec Tony Gatlif, qui l'emmène en Roumanie à la découverte du monde gitan dans Gadjo Dilo.
En 2002, l’immense succès de « L'Auberge espagnole », comédie de Cédric Klapisch, marque un tournant dans la carrière de Romain Duris. S'il continue d'être à l'affiche de premiers films audacieux, d'Osmose au quasi-expérimental « Shimkent Hotel » en passant par « 17 fois Cécile Cassard » et plus tard « Dans Paris » de Christophe Honoré, il prend désormais part à des projets de plus grande ampleur : donnant la réplique à Isabelle Adjani dans « Adolphe » de Benoît Jacquot, il enfile le costume de gentleman cambrioleur dans la superproduction « Arsène Lupin » (2004).
Toujours fidèle à Tony Gatlif (Exils) et à Cédric Klapisch (Les Poupées russes, Paris), il impressionne dans « De battre mon cœur s'est arrêté » de Jacques Audiard (2005).
Romain Duris s’engage également dans des projets aussi divers que « Molière » (2007) de Laurent Tirard, « Et après » (2008) de Gilles Bourdos et « Persécution » (2009) de Patrice Chéreau.
Il incarne en 2010 un briseur de couples professionnel dans « L’Arnacoeur » de Pascal Chaumeil. Il tourne ensuite « L’homme qui voulait vivre sa vie » d’ Eric Lartigau puis « Populaire » de Régis Roinsard et retrouve Patrice Chéreau au théâtre pour le monologue « La nuit juste avant les forêts » de Koltès.
Il tourne avec Michel Gondry dans « L’écume des jours » , dans « Casse-tête chinois » de Cédric Klapisch et il incarne un veuf travesti dans « Une nouvelle amie » de Francois Ozon (2014).
Romain Duris enchaîne avec « Un petit boulot » de Pascal Chaumeil , « Cessez le feu » d’Emmanuel Courcol (2016), « La confession » de Nicolas Boukhrief , « Iris » de Jalil Lespert, « Madame Hyde » de Serge Bozon , « Dans la brume » de Daniel Roby.
2017 marque sa collaboration avec Ridley Scott dans « All the money in the world ». Mais c’est « Nos batailles » de Guillaume Senez qui lui vaut sa sixième nomination aux César.
Romain Duris retrouve Régis Roinsard avec «En attendant Bojangles » adapté du roman éponyme à succès puis endosse le rôle de Gustave Eiffel dans le film de Martin Bourboulon « Eiffel ».
En 2022 il interprète un réalisateur dans le creux de la vague dans la comédie horrifique « Coupez ! » de Michel Hazanavicus ( film présenté en ouverture du festival de Cannes).
En 2023 Romain Duris est à l’affiche de plusieurs films dont le diptyque « Les Trois Mousquetaires » de Martin Bourboulon, «Daaaaaali ! » de Quentin Dupieux et « Le régne animal » de Thomas Cailley pour lequel il est de nouveau nominé aux César dans la catégorie Meilleur Acteur.
En 2024 on le retrouve à l’affiche de « La nuit se traine » de Michiel Blanchart .
Le public le retrouvera prochainement dans « Une part manquante » de Guillaume Senez, « Rembrandt » de Pierre Schoeller et dans « L’affaire de l’esclave Furcy » d'Abd al Malik.