Roth debuterede som skuespiller i en alder af 21 år, da han spillede en hvid supremacistisk skinhead ved navn Trevor i tv-filmen Made in Britain. Han spillede en East End-figur i King of the Ghetto, et kontroversielt drama baseret på en roman af Farukh Dhondy, der foregår i Brick Lane, og som blev sendt af BBC i 1986. Han spillede en genert ung mand i Mike Leigh-filmen Meantime fra 1984.
I 1985 medvirkede han i tv-filmen Murder with Mirrors (Mord med spejle). Han spillede en lejemorderlærling i Stephen Frears’ The Hit, hvilket indbragte ham en Evening Standard Award for den mest lovende nybegynder. I 1989 havde han en birolle som den fjollede lakaj Mitchell i Peter Greenaways The Cook, the Thief, His Wife & Her Lover (Kokken, tyven, hans kone & Hendes elsker). I 1990 spillede han hovedrollen som Vincent van Gogh i Robert Altmans Vincent & Theo og Guildenstern i Tom Stoppards Rosencrantz & Guildenstern Are Dead.
Roth og andre unge britiske skuespillere fra slutningen af 1980’erne, såsom Gary Oldman, Colin Firth, Daniel Day-Lewis, Bruce Payne og Paul McGann, blev kaldt the Brit Pack. Roth fik rollen som “Mr. Orange” i Quentin Tarantinos film Reservoir Dogs fra 1992. I 1994 castede Tarantino ham som en røver i Pulp Fiction. De arbejdede også sammen i filmen Four Rooms fra 1995, hvor han spillede Ted. Hans rolle som Archibald Cunningham i Rob Roy indbragte ham BAFTA-prisen for bedste skuespiller i en birolle samt en Oscar-nominering for bedste birolle og en Golden Globe-nominering.
I 1996 spillede han med i Woody Allens musikalske komedie Everyone Says I Love You. Han spillede også hovedrollen som “Danny Boodman T.D. Lemon 1900” i The Legend of 1900, og samme år medvirkede han som medspiller i filmen Gridlock’d. Han debuterede som instruktør i 1999 med The War Zone, en filmatisering af Alexander Stuarts roman. I 2001 spillede han general Thade i Tim Burtons Planet of the Apes. Roth var det oprindelige valg til rollen som Severus Snape i Harry Potter-filmserien, men han takkede nej til rollen til fordel for Planet of the Apes.
Han blev overvejet til rollen som Hannibal Lecter i Hannibal-filmen fra 2001, før Anthony Hopkins vendte tilbage for at genvinde rollen. Han medvirkede i Francis Ford Coppolas Ungdom uden ungdom og Michael Hanekes Funny Games og spillede derefter hovedrollen som Emil Blonsky / Abomination, en russiskfødt officer i Storbritanniens Royal Marines Commandos, i The Incredible Hulk. Hulk-instruktør Louis Leterrier var en fan af Roths arbejde, og instruktøren sagde til Empire Magazine: “Det er fantastisk at se en normal Cockney-dreng blive superhelt!”
Fra 2009 til 2011 spillede han hovedrollen i Lie To Me som Cal Lightman, en ekspert i kropssprog, der hjælper lokale og føderale lovorganisationer med at efterforske forbrydelser. Han har været fan af Monty Python siden sin ungdom, og i 2009 medvirkede han i tv-dokumentaren Monty Python: Almost the Truth (Lawyers Cut). I 2010 optrådte Roth på coveret til Manic Street Preachers’ studiealbum fra 2010, Postcards from a Young Man.
I 2012 blev han annonceret som formand for juryen for Un Certain Regard-sektionen ved filmfestivalen i Cannes 2012. Han spillede hovedrollen som FIFA-præsident Sepp Blatter i United Passions, en film om fodboldens styrende organ, der blev udgivet i 2014 i forbindelse med FIFA’s 110-års jubilæum og VM i fodbold i 2014. I 2015 spillede han hovedrollen i filmen Chronic, som fik en begrænset udgivelse i 2016. Han modtog senere en nominering til en Independent Spirit Award for bedste mandlige hovedrolle. Roth blev genforenet med Tarantino i The Hateful Eight (2015), hvor han spillede Oswaldo Mobray/English Pete Hicox. I 2019 skulle Roth have medvirket i Tarantinos Once Upon a Time in Hollywood, men hans scener blev klippet. Han skal gentage sin rolle som Emil Blonsky / Abomination i den kommende Disney+-serie She-Hulk, der foregår i Marvel Cinematic Universe.