Étudiant à l'Université de Californie du Sud, Topher Grace est repéré en 1998 par Bonnie Turner pour son rôle de Pseudolus dans une pièce de théâtre. Âgé de 20 ans, il décide alors d'abandonner la faculté pour suivre une carrière d'acteur, et il est engagé pour le rôle principal de la série (désormais culte) That '70s Show, créée par Turner. Il y interprète le rôle d'Eric Forman pendant sept ans, de 1998 à 2005, aux côtés d'Ashton Kutcher. Suite à cela, les deux acteurs prennent du recul et se concentrent respectivement sur leurs carrières cinématographiques. Ils reviennent tout de même pour le dernier épisode.
Parallèlement, il débute sur grand écran en 2000 avec un petit rôle dans le plusieurs fois récompensé Traffic de Steven Soderbergh, où il donne la réplique à Michael Douglas. À cette occasion, il remporte deux prix d'interprétation, dont celui du meilleur espoir masculin aux Young Hollywood Awards de 2001. Par la suite, il participe à un autre film de Soderbergh, Ocean's Eleven, où il incarne son propre rôle au même titre que Joshua Jackson, Barry Watson et Holly Marie Combs qui apprennent le poker auprès de Rusty Ryan, joué par Brad Pitt.
Il apparaît ensuite dans Le Sourire de Mona Lisa avec Julia Roberts. En 2004, il obtient l'un des deux rôles principaux, avec Dennis Quaid, de la comédie douce-amère En bonne compagnie, où il joue un jeune cadre dynamique amoureux de la fille de son employé, interprétée par Scarlett Johansson.
En 2007, il retrouve l'actrice Kirsten Dunst, présente au générique du Sourire de Mona Lisa, pour le troisième opus de Spider-Man en incarnant le rival de Peter Parker, Eddie Brock / Venom.
Un projet de film centré sur Eddie Brock / Venom pourrait voir le jour ainsi qu'un éventuel Spider-man 4 mais pas forcément avec Topher Grace dans le rôle de Venom.
En 2010, il apparait dans le film Valentine's Day (Pretty woman) réalisé par Garry Marshall au côté de nombreuses stars comme Julia Roberts et Anne Hathaway ainsi que des acteurs de sitcom dont Ashton Kutcher. Cette romance relate les destins croisés de couples qui se séparent, se retrouvent ou se rencontrent à Los Angeles, le jour de Saint-Valentin.
La même année, il participe au troisième volet de la saga Prédator dans le film Predators réalisé par Nimród Antal. Il partage la tête d'affiche avec Adrien Brody (Le pianiste) et Laurence Fishburne (Matrix), il occupe le rôle d'un jeune médecin surdoué aux pratiques douteuses. Le film sort en juillet 2010 alors qu'il commence à peine le tournage de The double. Il y joue le rôle d'une jeune recrue du FBI qui fait équipe avec un ex-agent de la CIA à la retraite, joué par la star Richard Gere, afin d'enquêter sur le meurtre d'un sénateur. Topher a pour épouse dans ce film la jeune actrice Odette Yustman.
La sortie de Une soirée d'enfer, comédie rétro réalisée par Michael Dowse dans laquelle Topher Grace partage l'affiche avec Teresa Palmer et Anna Faris, est prévue pour le 7 décembre 2011.