Il débute sa carrière théâtrale en 1951 dans l’Ensemble Raymond Hermantier, faisant ses débuts au cinéma quatre ans plus tard dans une pièce sur la solidarité des peuples de différentes nationalités si chacun dans le monde.

Cependant, il s’est davantage fait remarquer dans le film Et Dieu créa une femme, où il incarnait Michel Tardieu, sérieux, sentimental et inflexible, le plus jeune des trois hommes dont la vie a été influencée par la fille du destin, Brigitte Bardot.

D’un jeune homme timide et romantique, il est passé au cours des années 1960 au rôle plus complexe et psychologiquement complexe de l’homme discret et contradictoire, qu’il a dépeint avec une syphilisme calme et une tension interne particulière.

L’un de ces personnages est incarné dans le film L’Homme et la Femme, où il incarne le pilote automobile veuf Jean-Louis Duroca, avec qui la veuve du scénario du film Anouk Aimé aura une liaison amoureuse.

Au Festival du film de Berlin-Ouest en 1968, il reçoit l’Ours d’argent pour son rôle d’un homme nommé Boris dans L’Homme qui ment. Un an plus tard, il décroche le rôle de juge d’instruction, tentant d’élucider les circonstances du meurtre d’un député grec de gauche, dans le thriller politique « Z » primé au Festival de Cannes.

D’autres films incluent Crime of an Express, A Tale of a Cop, No Motive, The Assassination in Paris, The Others’ Money et bien d’autres.

En 1973, il apparaît pour la première fois derrière la caméra lors du tournage de The Filled Day.

Cependant, pour ses ambitions artistiques, il n’a jamais abandonné sa passion pour l’automobile, il a participé plusieurs fois au volant des 24 Heures de Chamonix, du Rallye Monte Carlo ou du Tour de France Automobile.

Il a été marié deux fois. L’actrice Stéphane Audran est devenue sa première femme et son mariage a été très court. La deuxième femme était la monteuse Nadine Marquand, qui s’est ensuite imposée comme réalisatrice et a joué Trintignant dans ses films (My Love, My Love, Criminal Thief, Knowing Forbidden, The Honeymoon). Leur fille Marie Trintignant, également comédienne, a été assassinée en 2003 par son petit ami.