Jérémie Renier se passionne très tôt pour le monde du spectacle et suit des cours de théâtre et de mime en Belgique. Elève de l'Ecole de Cirque de Bruxelles, il participe à de nombreux castings qui lui donnent l'aisance nécessaire pour décrocher un premier petit rôle. Il apparaît ainsi à dix ans dans le film à sketches Les Sept péchés capitaux (Beatriz Flores Silva, 1992), puis dans le téléfilm La Mélodie des héros (Tiziana Caminada) et enchaîne les rôles à la télévision belge et sur les planches.
C'est avec La Promesse (1995) des frères Dardenne, encore méconnus, que Jérémie Renier se fait remarquer. Il livre une prestation convaincante en adolescent frondeur face à Olivier Gourmet, et le film reçoit le Prix de la Critique à Cannes. François Ozon le fait tourner en 1998 aux côtés de Natacha Régnier dans le provocateur et controversé Les Amants criminels, l'histoire de deux jeunes amants lycéens qui tuent un camarade de classe pour relancer leur désir, à mi-chemin entre le gore et le conte de fées.
Suivent deux grosses productions, Saint-Cyr (Patricia Mazuy, 1999), qui relate le quotidien de l'institution pour jeunes filles créée par Madame de Maintenon, et surtout Le Pacte des loups (2000). Christophe Gans revisite le mythe de la Bête du Gévaudan et fait de Jérémie Renier le narrateur témoin de l'histoire. Il incarne ensuite le fils de Jean-Pierre Léaud dans Le Pornographe de Bertrand Bonello (2000) et continue d'alterner les genres avec des films en marge, notamment La Guerre à Paris (Yolande Zauberman, 2001), Violence des échanges en milieu tempéré (Jean-Marc Moutout, 2002) dans lequel il interprète un jeune consultant, ou encore Le Pont des Arts (Eugène Green, 2003). En 2004, il retrouve les frères Dardenne pour L'Enfant, qui obtient la Palme d'Or à Cannes. Il continue à tourner dans des productions belges (Dikkenek, Olivier Van Hoofstadt, 2005) mais est de plus en plus demandé en France. Il joue aux côtés de son frère Yannick et d'Isabelle Huppert dans Nue propriété (Joachim Lafosse, 2006) puis rejoint le casting du vrai faux thriller Coupable de Laetitia Masson en 2007. Jérémie Renier prête toujours volontiers ses traits à des personnages de jeunes gens, sympathiques, candides, et joue ainsi un des fils dans L'Heure d'été d'Olivier Assayas, où, face à Juliette Binoche et Charles Berling, il assiste à l'implosion d'une famille confrontée à un deuil. Fidèle à ses origines et à sa famille de cinéma, il rejoint une nouvelle fois les frères Dardenne pour Le Silence de Lorna, à nouveau très remarqué sur la Croisette et prix du meilleur scénario. Son registre n'en finit pas de s'étendre, et il participe à des productions internationales, telles Bons baisers de Bruges de Martin McDonagh, sur les écrans français en 2008 et dans lequel il donne la réplique à Colin Farrell et Ralph Fiennes.