Moritz Bleibtreu est le fils des acteurs allemands Monica Bleibtreu et Hans Brenner et l'arrière-petit-neveu de l'actrice Hedwig Bleibtreu.
Après une enfance à Hambourg ponctuée par des apparitions dans des séries télévisuelles et des films, début dans Neues aus Uhlenbusch écrit par sa mère, suivi par Mit meinen heissen Tränen aux côtés de sa mère, il quitte l'école à 16 ans pour étudier l'art dramatique à Paris, Rome et New York durant trois années.
Il débute sur scène dans des productions de Roméo et Juliette (au Deutsches Schauspielhaus de Hamburg) et Richard III, sous la direction de Jürgen Flimm. En 1994, il fait ses débuts d'acteur dans le téléfilm Unschuldsengel, aussitôt suivi de son premier film cinéma Einfach nur Liebe. Il partage son temps entre la télévision (il tient un rôle récurrent dans la série Die Gang) et le cinéma. Il obtient ainsi, en 1997, le prix Lubitsch pour sa composition de tueur pathétique dans l'acclamé Paradis express, qui le révèle à un large public, même si Stadtgespräch de Rainer Kaufman, avait déjà révélé sa trempe de comédien. Bleibtreu tourne Im Juli et Solino pour le réalisateur germano-turc Fatih Akin.
Le public étranger le découvre comme partenaire de Franka Potente dans Cours Lola cours, puis dans les films L'Expérience, Une famille allemande et Munich. Il poursuit en parallèle sa carrière théâtrale.
En 2006, il obtient un Ours d'argent du meilleur acteur au Festival du film de Berlin pour l'interprétation d'un personnage obsédé sexuel, dans Les Particules élémentaires.