Originaire d'un village côtier de la Province de Barcelone, Sergi Lopez, ado turbulent et peu intéressé par les études, suit des cours de comédie et de cirque en Espagne, avant de s'inscrire, à Paris, à l'Ecole Internationale de théâtre de Jacques Lecoq, dont l'enseignement est centré sur le travail corporel. C'est là que le remarque Manuel Poirier, à la recherche d'un acteur à l'accent espagnol pour La Petite Amie d'Antonio. Première étape d'une longue collaboration entre le cinéaste et le comédien catalan, cette oeuvre attachante vaut à celui-ci le Prix Michel-Simon en 1993. Sergi Lopez accède à la notoriété grâce à Western, le road-movie bigouden de Poirier qui enchante le Festival de Cannes en 1996 et rencontre un beau succès public. Drôle et chaleureux, ce latin lover atypique est sollicité par des réalisatrices comme Corsini (La Nouvelle Eve) et Vernoux (Rien à faire, Reines d'un jour). En 1999, il partage le fantasme de Nathalie Baye dans Une liaison pornographique, audacieux premier film du belge Frédéric Fonteyne. A la même période, il tourne régulièrement dans son pays natal -il est notamment dirigé à plusieurs reprises par les Catalans Miguel Albaladejo et Ventura Pons. La consécration arrive en 2000 avec le thriller de Dominik Moll Harry, un ami qui vous veut du bien : impressionnant dans un rôle inattendu de psychopathe, le comédien à l'air jovial décroche le César du Meilleur acteur en 2001. Sergi Lopez prend ensuite part à des projets aussi singuliers que le western médiéval Rencontre avec le dragon ou le loufoque Janis et John. Choisi par Frears pour incarner dans Dirty pretty things l'odieux Sneaky, gérant d'hôtel impliqué dans une affaire de trafic d'organes, il reste le fidèle compagnon de route de Manuel Poirier (Les Femmes... ou les enfants d'abord, Chemins de traverse en 2003). Instituteur qui redonne la parole à une fillette dans Les Mots bleus de Corneau en 2005, il campe la même année un aveugle dans Peindre ou faire l'amour des frères Larrieu.
Il est choisi pour incarner un terrifiant capitaine franquiste dans Le Labyrinthe de Pan de Guillermo Del Toro, prestation très remarquée à Cannes en 2006. Seul en scène en 2007 avec Non solum, un spectacle qu'il co-écrit, il est en 2009 l'époux d'Alexandra Lamy dans Ricky de François Ozon et l'amant de Kristin Scott Thomas dans Partir de Catherine Corsini.
Multipliant les projets, il retrouve Manuel Poirier pour Le Café du pont (2010), François Ozon pour Potiche (id.) et Dominik Moll pour Le Moine (2011). Egalement en 2011, c'est à nouveau dans les décors de l’Espagne franquiste qu'il évolue avec Pain noir. Il part ensuite à la recherche de sa femme sur les routes de l’émirat aux côtés de Vanessa Paradis dans l'original Dubaï Flamingo (2012), et devient un prisonnier dans Tango libre (id.). En 2013, il assiste à l’achat désastreux d’un cheval par quatre amis d’enfance (Alain Chabat, Edouard Baer, Philippe Duquesne et Lucien Jean-Baptiste) dans Turf.
