Nato in una famiglia di artisti, Paul debutta come attore nel 1997. Dopo aver frequentato il Drama Centre di Londra, ha iniziato a recitare in teatro, per poi dedicarsi alla carriera cinematografica.
Ha lavorato per una stagione con la Royal Shakespeare Company, recitando in Riccardo III, Romeo e Giulietta e Giulio Cesare, prima di approdare al suo primo ruolo in un lungometraggio con Bent. Poi è arrivato il secondo film "Land Girls" (Ragazze di Campagna) di David Leland con Catherine McCormack e Rachel Weisz, e un'apparizione in "After the Rain". Bettany è stato nominato per il premio come miglior attore esordiente dall'associazione dei critici cinematografici di Londra per il film "Gangster No.1" (2000), diretto da Paul McGuigan.
Con McGuigan ha girato il mystery-thriller "The Reckoning" (2001), insieme a Willem Dafoe. Il pubblico americano ha fatto la sua conoscenza per la prima volta con "Il Destino di un Cavaliere" (2001), in cui interpreta il ruolo comico del poeta Geoffrey Chaucer, accanto a Heath Ledger; con questo film Bettany si guadagna un premio come miglior attore non protagonista da parte dei critici cinematografici londinesi.
Sempre nel 2001 interpreta il ruolo di Charles Herman, il compagno di stanza immaginario del matematico John Nash jr, nel film di Ron Howard "A Beautiful Mind", vincitore di un Oscar come miglior film.
Ha partecipato al film di Lars von Trier "Dancing in the Dark", "Breaking the Waves", "Master and Commander" (2003) e al thriller "Dogville"(2003) insieme a Nicole Kidman.
Nel 2005 ha girato "Wimbledon", con Kirsten Dunst, diretto da Richard Loncraine e l'anno successivo "Il Codice da Vinci" (2006) nella parte di Silas, diretto da Ron Haward.
Inoltre è nel cast di "Inkheart - La leggenda del cuore d'inchiostro" (2009).