Acteur dès l'adolescence, il rejoint à 18 ans la Royal Academy of Dramatic Arts de Londres et remporte son premier succès international dans le rôle-titre de la prestigieuse mini-série Horatio Hornblower.
Ioan Gruffudd figure aux génériques de Titanic de James Cameron, Les 102 dalmatiens de Kevin Lima, La chute du faucon noir de Ridley Scott, Les témoins et Solomon and Gaenor (Cité à l'Oscar du meilleur film étranger). Il incarne Lancelot dans Le Roi Arthur d'Antoine Fuqua, face à Clive Owen et Keira Knightley. En 2005, il est à l'affiche du film de Tim Story, Les 4 Fantastiques. On le retrouve également en Mr Fantastic dans Les 4 Fantastiques et le Surfeur d'Argent, sorti en août 2007.
En 2008, Ioan interprète Tony Blair dans le film d'Oliver Stone consacré à George W.Bush Jr : W.L'improbable président. Il revient en 2009 dans le film fantastique familial Le Secret de Moonacre, du réalisateur hongrois Gabor Csupo.
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