Figlio dell'attore Giancarlo Giannini e dell'attrice, doppiatrice e regista Livia Giampalmo, a 18 anni comincia a lavorare come aiuto operatore in EVELINA E I SUOI FIGLI, film per la televisione diretto dalla madre. Comincia a lavorare come regista, affiancando, tra gli altri, Giuseppe Tornatore in UNA PURA FORMALITÀ, Rob Cohen in DAYLIGHT - TRAPPOLA NEL TUNNEL e Anthony Minghella ne IL TALENTO DI MR. RIPLEY.
Esordisce come attore nel film ALLA RIVOLUZIONE SULLA DUE CAVALLI, regia di Maurizio Sciarra. Nel 2002 viene scelto da Madonna per interpretare TRAVOLTI DAL DESTINO (2003) diretto da Guy Ritchie. In questo remake, recita nello stesso ruolo interpretato dal padre nel film di Lina Wertmüller del 1974. Tra i successivi film: STAI CON ME (2001), diretto da Livia Giampalmo, LE CONSEGUENZE DELL'AMORE, diretto da Paolo Sorrentino e UNA TALPA AL BIOPARCO, regia di Fulvio Ottaviano, entrambi del 2004, e NERO BIFAMILIARE (2007), opera prima di Federico Zampaglione.
Lavora anche in fiction TV: le miniserie televisive LUISA SANFELICE (2004), per la regia dei fratelli Taviani, 48 ORE (2005), regia di Eros Puglielli, e il film TV AMORE PROIBITO (2007), diretto da Anna Negri. entra a far parte dei cast dei film di Gabriele Muccino BACIAMI ANCORA (2009), sequel de L'ULTIMO BACIO e de IL PRINCIPE DEL DESERTO (Black Gold), regia di Jean-Jacques Annaud (2011). Nel 2014 prende parte a diversi film tra cui UNA DONNA PER AMICA di Giovanni Veronesi, accanto a Fabio De Luigi e Laetitia Casta; UN MATRIMONIO DA FAVOLA, regia di Carlo Vanzina; SENZA NESSUNA PIETÀ, regia di Michele Alhaique; LA FORESTA DI GHIACCIO, regia di Claudio Noce e AMBO, regia di Pierluigi Di Lallo (2014)
Nella sua carriera di doppiatore, si ricorda soprattutto il doppiaggio di Heath Ledger ne IL CAVALIERE OSCURO, dove l'attore interpreta Joker (personaggio interpretato da Jack Nicholson e doppiato dal padre Giancarlo Giannini nel film BATMAN, diretto da Tim Burton nel 1989) che gli fa vincere il Nastro d'Argento 2009 come miglior doppiatore. In seguito doppia l'attore Eric Bana nel ruolo di Nero nel fim STAR TREK (2009). Sua anche le voci di Christian Bale in THE FIGHTER(2010) di David O. Russell e di Matthew McConaughey nella serie tv TRUE DETECTIVE.
Ha esordito nella regia con il cortometraggio "Il Gioco", tratto da una novella di Andrea Camilleri, di cui è stato anche produttore e sceneggiatore e con il quale ha vinto numerosi premi, tra cui il Nastro d’Argento, il Giffoni Film Festival e il New York Short Film Festival; è stato in concorso anche alla Mostra Internazionale d’Arte Cinematografica di Venezia. È stato recentemente al festival internazionale del cinema di PalmSprings per presentare il suo nuovo corto “Sarà per un’altra volta” che ha realizzato sempre come regista.