23 Kasım 1966'da Paris'te doğdu. Babası devrin ünlü aktörlerinden Jean-Pierre Cassel'dir. 15 yaşında oyuncu olmaya karar veren Cassel 1995'te başrolünde yer aldığı  La Haine filmi ile tanındı ve büyük beğeni topladı. Daha sonra 2000 yapımı Kızıl Nehirler filminde yer aldı, 2002’de Gaspar Noe’nin tartışma yaratan filmi Dönüş Yok’ta eski eşi Monica Bellucci ile oynadı. Ocean’s 12 ve Ocean’s 13 filmlerinde François Tolour karakterini canlandırdı. 2008 yapımı Mesrine filmindeki rolüyle En İyi Erkek Oyuncu dalında Cesar Ödülü’nü kazandı. 

2010 yılın Darren Aronofsky’nin Siyah Kuğu filmindeki bale direktörü Thomas rolüyle de beğeni topladı. 2011'de usta yönetmen David Cronenberg'in A Dangerous Method filminde, 2013’te de Danny Boyle’un Trance filminde daha sonra da Beauty and the Beast The Beast, Partizan, Tale of Tales, Mon roi, It's Only the End of the World gibi önemli filmlerde rol aldı. 

1999 ile 2013 yılları arasında dünyanın en güzel kadını olarak nitelendirilen İtalyan aktris Monica Bellucci ile evli kaldı. Bu evlilikten Deva  ve Léonie adında 2 kızları oldu.