Mikael Persbrandt debuterade som filmskådespelare 1990, i Stig Larssons tv-film Nigger. Han har därefter medverkat i ett hundratal filmer och tv-serier, både i Sverige och internationellt. Mest känd är han för rollen som polisen Gunvald Larsson, vilken han spelade i 31 Beck-filmer mellan 1997 och 2016. Han spelade en av huvudrollerna i Susanne Biers Hämnden (2010) som vann en Oscar för Bästa utländska film 2011. Persbrandt fick chansen att visa upp sig för en världspublik när han gestaltade Beorn i Peter Jacksons Hobbit: Smaugs ödemark (2013).

Mikael Persbrandt har belönats med två Guldbaggar för Bästa manliga huvudroll; Mig äger ingen (2013), och Maria Larssons eviga ögonblick (2008). Han har även Guldbaggenominerats fyra gånger, för Dödlig drift (1999), Alla älskar Alice (2002), Bang Bang Orangutang (2005) och Stockholm Östra (2011). Han tilldelades Ingmar Bergman-priset 2005.

Persbrandt har även en diger teaterkarriär med stora roller på bland annat Dramaten, Teater Galeasen och Maxim i Stockholm.