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Ancien élève du conservatoire national de théâtre, il devient pensionnaire de la Comédie-française en 1997 puis sociétaire en 2000.
Au cinéma, il interprète le rôle principal dans les films de son frère Bruno Podalydès et participe à l'écriture de ses films. Il est notamment Albert Jeanjean dans Dieu seul me voit (1998) et Rouletabille dans Le Mystère de la chambre jaune et Le Parfum de la dame en noir.
Dans son premier ouvrage, Scènes de la vie d'acteur, publié en 2006, il décrit le quotidien de son métier de comédien. Deux ans plus tard, il publie Voix off, un livre intime sur son rapport aux voix, les voix de ses proches, les voix des grands acteurs qui l'ont influencé et sa propre voix. Dans La Peur, matamore (2010), il raconte sa passion pour la tauromachie et sa fascination pour certains toréadors comme José Tomás.
Il a reçu le Molière de la révélation théâtrale en 1999 pour son rôle dans Le Revizor et le Molière du metteur en scène en 2007 pour sa mise en scène de Cyrano de Bergerac.