Moritz Bleibtreu est le fils des acteurs autrichiens 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 tels que {{lang}} écrits par sa mère ou {{lang}} 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 {{lang}} de Hamburg) et Richard III, sous la direction de Jürgen Flimm. En 1994, il fait ses débuts d'acteur dans le téléfilm {{lang}}, aussitôt suivi de son premier film {{lang}}. Il partage son temps entre la télévision où il tient un rôle récurrent dans la série {{lang}} 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 {{lang}} de Rainer Kaufman, avait déjà révélé sa trempe de comédien. Bleibtreu tourne {{lang}} 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.