Il débute sa carrière théâtrale en 1951 dans la troupe de Raymond Hermantier et fait ses débuts au cinéma quatre ans plus tard dans le drame sur la solidarité des peuples de différents pays si tous les gars du monde.

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

Au cours des années 1960, il passe du personnage du jeune homme timide et romantique aux personnages et aux rôles plus complexes psychologiquement de l’homme discret et contradictoire, qu’il dépeint avec une modestie sourde et une tension intérieure particulière.

Elle a incarné l’un de ces personnages dans le film Hommes et Femmes, où elle incarnait le coureur veuf Jean-Louis Duroc, avec qui la scénariste veuve Anouk Aiméová entamait une histoire d’amour.

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

D’autres films incluent Crime from the Express, Policeman’s Tale, No Motive, Assassination in Paris, Other People’s Money et d’autres.

En 1973, il se place pour la première fois derrière la caméra lors du tournage d’Une journée bien remplie.

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

Il s’est marié deux fois. Sa première épouse était l’actrice Stéphane Audran, son mariage fut très court. La deuxième femme était la monteuse Nadine Marquand, qui s’est ensuite imposée comme réalisatrice et a joué Trintignant dans ses films (Mon amour, mon amour, Voleur criminel, Interdit de savoir, La route du mariage). Leur fille Marie Trintignant, également comédienne, a été assassinée par son petit ami en 2003.