Moritz Bleibtreu wurde am 13. August 1971 in München als Sohn von Monika Bleibtreu und Hans Brenner geboren.

Aufgewachsen in Hamburg, stand Moritz Bleibtreu bereits als Kind in der Serie Neues Aus Uhlenbusch vor der Kamera. In der elften Klasse brach er die Schule ab und ging zunächst für ein Jahr als Au Pair nach Paris. Danach zog es ihn endgültig in Richtung Schauspiel und er ging nach New York, um dort Schauspielunterricht zu nehmen. Es folgten Aufenthalte in Rom und Venedig, bis Moritz Bleibtreu 1992 am Schauspielhaus Hamburg seine erste Rolle in William Shakespeares Romeo und Julia spielte.

Seit 1993 ist Moritz Bleibtreu häufig im Fernsehen und auf der Leinwand zu sehen. Rainer Kaufmann war es, der ihm zu einem ersten großen Kinoerfolg verhalf. In Stadtgespräch (1995) spielte er den liebenswert dümmlichen Liebhaber von Kai Wiesinger. Es folgten diverse TV-Rollen in Die Gang (1996), Das erste Mal (1996) und Wilhelmsburg (1996), bis er 1996 seinen Kinodurchbruch mit Knockin’ On Heaven’s Door feierte.

Spätestens mit der Rolle des Manni in Tom Tykwers weit über die deutschen Grenzen hinaus gepriesenen Film Lola Rennt gelang Moritz Bleibtreu auch der internationale Durchbruch. Für die Darstellung des Tarik im Thriller Das Experiment wurde er 2000 mit dem Deutschen Filmpreis ausgezeichnet. Neben Harvey Keitel spielte er 2001 im Nachkriegsdrama Taking Sides und zusammen mit dem Hamburger Filmemacher Fatih Akin drehte er die Filme Solino und Im Juli. Für seinen Film München holte ihn sogar Starregisseur Steven Spielberg ins Boot.

In der Verfilmung des gleichnamigen Romans von Michel Houellebecq Elementarteilchen glänzte Moritz Bleibtreu in der Rolle des triebgesteuerten Bruno und wurde dafür bei der Verleihung des Deutschen Filmpreises 2006 als Bester Darsteller gekürt.

Moritz Bleibtreu lebt in Hamburg.