Tim Roth est le fils du journaliste et peintre Ernie Smith, membre du parti communiste anglais, qui changea son nom en Roth à la fin de la Seconde Guerre Mondiale.
Tim Roth étudia la sculpture à l'école d'art de Camberwell de Londres, avec l'intention d'en faire son métier. A 21 ans, il débute cependant une carrière d'acteur, dans un téléfilm, Made in Britain. En 1984, il fait des débuts remarqués sur grand écran, avec The Hit de Stephen Frears, le film lui valant une citation aux B.A.F.T.A.
On le retrouve quelques années plus tard dans la peau de van Gogh dans le film de Robert Altman, Vincent et Théo. Puis, arrive la consécration en 1992 avec le Reservoir Dogs de Quentin Tarantino. En 1994, on le retrouve, toujours pour Tarantino, dans Pulp Fiction. En 1994, les deux hommes travailleront de nouveau ensemble sur Four Rooms. En 1995, il est récompensé d'un B.A.F.T.A. pour son rôle dans Rob Roy de Michael Caton-Jones. Il reçoit aussi une citation aux Golden Globes et aux Oscars pour ce même film.
En 1996, il joue pour Woody Allen dans Everyone Says - I Love You.
En 1999, Tim Roth se lance dans la réalisation, avec The War Zone. Le film est très bien reçu par les critiques, et se voit même récompensé au Festival de Berlin.
En 2001, il joue le méchant (en quelque sorte sa spécialité) dans la planète des singes de Tim Burton, aprè avoir refusé de jouer Severus Rogue dans la saga Harry Potter. Suivent L'Homme sans âge pour Francis Ford Coppola, Funny Games U.S. de Michael Haneke, ou bien encore l'incroyable Hulk de Louis Leterrier.
En 2009, il produit et tient le rôle principal de la série Lie To Me.