Dès l'âge de douze ans, Grégoire Colin se produit sur scène dans les pièces
Hécube d'Euripide et
Brûle, rivière, brûle.
Mais c'est
L'Année De L'éveil (1990) de Gérard Corbiau qui le révèle véritablement au grand public ; il y incarne François, un enfant de troupe orphelin, initié durement à la vie d'adulte dans une école militaire. Agnieszka Holland lui confie ensuite le rôle d'Olivier, un adolescent disparu, dans
Olivier, Olivier en 1992, tandis que Tonie Marshall l'engage pour
Pas Tres Catholique en 1993.
Après être apparu au générique de
La Reine Margot de Patrice Chéreau, Grégoire Colin interprète un jeune moine orthodoxe dans son premier film international,
Before The Rain de Milcho Manchevski, qui reçoit le Lion d'or à la Mostra de Venise.
Il joue également pour la première fois sous la direction de Claire Denis dans le téléfilm
US go home (id.), volet de la série
Tous les garçons et les filles de leur âge diffusé sur Arte, et collabore à nouveau avec la réalisatrice sur les drames
Nenette Et Boni (1996), film pour lequel il reçoit le grand prix d'interprétation masculine au Festival de Locarno, et
Beau Travail (2000), où il incarne un jeune légionnaire.
Dès lors, Grégoire Colin, que l'on a longtemps comparé à Benoît Magimel, son partenaire dans la série
Jalna (1994), impose son regard noir et intrigant ainsi que son physique de jeune premier tourmenté dans bon nombre de films d'auteur, parmi lesquels
Fiesta (1994) de Pierre Boutron, où il incarne un phalangiste sous les ordres de Jean-louis Trintignant pendant la guerre civile en Espagne,
Secret Défense (1998) de Jacques Rivette,
La Vie Revee Des Anges d'Erick Zonca, où il interprète le petit ami de Natacha Régnier, ou encore
Sade (2000) de Benoît Jacquot.
En 2002, il est à l'affiche de
Sex Is Comedy de Catherine Breillat et de
La Guerre A Paris de Yolande Zauberman.
Il apparaît dans trois films en 2005, dont
L'Intrus, qui marque sa cinquième collaboration avec Claire Denis. Et il intègre l'univers surréaliste de Raoul Ruiz dans
Le Domaine Perdu, où il incarne le héros du film, aux côtés de François Cluzet.
En 2006, il est à l’affiche de
L'Eclaireur de Djibril Glissant et de
Exes de Martin Cognito.
Il retrouve Claire Denis en 2008 avec
35 Rhums.
