Roth fez a sua estreia como actor, mas aos 21 anos de idade, interpretando um skinhead branco supremacista chamado Trevor no filme televisivo Made in Britain. Ele interpretou um personagem do East End em King of the Ghetto, um drama controverso baseado num romance de Farukh Dhondy ambientado em Brick Lane e transmitido pela BBC em 1986. Interpretou um jovem tímido no filme Meantime Meantime.
Em 1985, apareceu no filme de televisão Murder with Mirrors. Fez o papel de aprendiz de assassino no filme The Hit de Stephen Frears, ganhando o prêmio Evening Standard for Most Promising Newcomer. Em 1989, ele teve um papel de apoio como o lacaio bufão Mitchell em The Cook, the Thief, His Wife & Her Lover, de Peter Greenaway. Em 1990, ele estrelou como Vincent van Gogh em Vincent de Robert Altman & Theo e Guildenstern em Rosencrantz de Tom Stoppard & Guildenstern Are Dead.
Roth e outros jovens atores britânicos do final dos anos 80, como Gary Oldman, Colin Firth, Daniel Day-Lewis, Bruce Payne e Paul McGann, foram apelidados de Brit Pack. Roth foi elenco de “Mr. Orange” no filme de Quentin Tarantino, “Reservoir Dogs”, de 1992. Em 1994, Tarantino o lançou como um ladrão no filme Pulp Fiction. Também colaboraram no filme Quatro Quartos de 1995, onde ele interpretou Ted. Seu papel como Archibald Cunningham em Rob Roy lhe rendeu o Prêmio BAFTA de Melhor Ator em Função de Apoio, bem como uma indicação ao Oscar de Melhor Ator de Apoio, e uma indicação ao Globo de Ouro.
Em 1996, ele estrelou na comédia musical de Woody Allen, Everyone Says I Love You. Ele também estrelou como “Danny Boodman T.D. Lemon 1900” em The Legend of 1900, e no mesmo ano, ele co-estrelou no filme Gridlock’d. Estreou na direção em 1999 com The War Zone, uma versão cinematográfica do romance de Alexander Stuart. Em 2001, retratou o General Thade no filme Planeta dos Macacos, de Tim Burton. Roth foi a escolha original para o papel de Severus Snape na série de filmes de Harry Potter, mas ele recusou para Planet of the Apes.
Ele foi considerado para o papel de Hannibal Lecter no filme Hannibal 2001, antes de Anthony Hopkins voltar para reclamar o papel. Ele apareceu no filme Youth Without Youth e Funny Games de Michael Haneke, de Francis Ford Coppola, depois estrelado como Emil Blonsky / Abomination, um oficial nascido na Rússia nos Comandos da Marinha Real do Reino Unido, em The Incredible Hulk. O diretor de Hulk Louis Leterrier era fã do trabalho de Roth, com o diretor dizendo à revista Empire, “é ótimo ver um garoto Cockney normal se tornar um super-herói!”.
De 2009 a 2011, ele estrelou em Lie To Me como Cal Lightman, um especialista em linguagem corporal que auxilia organizações legais locais e federais na investigação de crimes. Fã de Monty Python desde sua juventude, em 2009 ele apareceu no documentário de televisão, Monty Python: Quase a Verdade (Lawyers Cut). Em 2010, Roth apareceu na capa do álbum de estúdio Manic Street Preachers 2010, Postcards from a Young Man.
Em 2012, foi anunciado como Presidente do Júri da secção Un Certain Regard no Festival de Cannes 2012. Ele estrelou como Presidente da FIFA Sepp Blatter no United Passions, um filme sobre a entidade dirigente do futebol, lançado em 2014, para coincidir com o 110º aniversário da FIFA, e a Copa do Mundo da FIFA 2014. Em 2015, ele estrelou o filme Chronic, que recebeu um lançamento limitado em 2016. Mais tarde, recebeu o Prêmio Espírito Independente para a indicação de Melhor Líder Masculino. Roth se reuniu com Tarantino em The Hateful Eight (2015), interpretando Oswaldo Mobray/English Pete Hicox. Em 2019, Roth apareceria no Once Upon a Time de Tarantino em Hollywood, mas suas cenas foram cortadas. Ele está pronto para repetir seu papel de Emil Blonsky / Abomination na próxima série Disney+ She-Hulk, ambientada no Marvel Cinematic Universe.