1990年，成泰燊进了山西省话剧院及山西省文化艺术学校，开始了正规的艺术教育。
1993年7月，成泰燊考进了中央戏剧学院表演导演混合本科班。1997年，毕业后成泰燊被分配到西安电影制片厂导演室，在那里他在导演黄建新的影片《睡不着》中担任导演助理、场记与配角演员。
2003年，在花清执导的儿童电影《楠溪江》中饰演焦跃进 。2004年，受到导演贾樟柯的邀请，与赵涛共同主演电影《世界》，这个“山西制造”的铁三角组合开始了他们探索世界和人生的电影之旅。至2007为止，《世界》先后在国际各个电影节上拿了总共11个大奖 。
2005年，出演阿尼拉执导的中国和芬兰首次合拍的神话电影《玉战士》饰中国魔鬼 。2006年，主演的纪录电影《完美生活》入围第65届威尼斯国际电影节地平线单元，并获得温哥华国际电影节最佳电影“龙虎奖” 。
2007年，在黄文利执导的抗日剧《狼毒花》中饰演中共地委书记甄一然 ；10月，主演的北京奥运献礼剧《排球女将》在武汉开机 ；同年，领衔主演王小帅编剧并执导的家庭亲情电影《左右》，并提名第58届柏林国际电影节最佳男主角 ；同年，主演的剧情电影《车逝》入围第17届釜山国际电影节 。
2008年，主演的战争电影《对岸的战争》成为中国唯一一部入围莫斯科国际电影节的影片 。2009年，出演关注全球移民面临的困境的影片《美错》，在片中饰演来自温州的偷渡客“海”，该片入围第83届奥斯卡金像奖最佳外语片和第68届美国电影电视金球奖最佳外语片 。
2010年6月，主演的两部电影《大地》和《马文的战争》两部作品同时入围第十三届上海国际电影节传媒大奖 ；7月3日，主演的古装历史剧《天地民心》在央视八套播出 ；9月，在王全安执导的历史电影《白鹿原》中饰演白嘉轩长子白孝文 ；9月16日，参演张艺谋执导的爱情片《山楂树之恋》上映 。2011年1月25日，成泰燊和哈维尔巴登主演的剧情电影《美错》提名第83届奥斯卡金像奖最佳外语片；3月，首次触电武侠，在陈嘉上执导的武侠电影《四大名捕》中饰演六扇门的老大捕神，之后继续出演了《四大名捕2》 ；5月，出演爱情电影《影子爱人》 。
2012年，在杜琪峰执导的警匪电影《毒战》中饰演鄂州缉毒警察刘队长 ；同年，凭借主演的剧情电影《爱的替身》提名第60届圣塞巴斯蒂安国际电影节最佳男主角 。
2013年4月14日，主演的亲情电影《说说美丽世界》上映，该片获得第21届北京大学生电影节评委会大奖 ；8月，出演欧阳奋强执导的喜剧电影《超萌英雄》，在片中饰演特立独行的绑匪头目 ；同年，友情客串出演电影《青春雷锋》 ；同年，主演抗战题材剧《东北抗日联军》 。2014年3月，出演吴镇宇、张震和郑雨盛联袂跨界执导的电影《三生》，亮相第38届香港国际电影节 ；8月，参演苏有朋导演的处女作电影《左耳》，在里面饰演张漾的父亲 。
2015年，凭借出演的前史体裁的影片《黄克功案件》获得第十五届电影表演艺术学会奖。2016年，参演杨子执导的爱情剧情电影《喊·山》 ；3月，领衔主演廉政历史剧《于成龙》 。之后在青春校园题材电影《谁的青春不迷茫》中饰演林天娇的父亲 。
2017年4月28日，与颜丙燕、霍青联袂主演的电影《香港大营救》在上海开机 ；6月，参演的动作犯罪电影《引爆者》成为第20届上海国际电影节闭幕片 ；12月18日，与黄晓明、刘昊然、佟丽娅等合作出演由孔笙、李雪执导的古装权谋剧《琅琊榜之风起长林》在东方卫视、北京卫视联合播出，他在剧中饰演权倾朝野的墨淄侯 ；12月22日，与黄轩、染谷将太、张雨绮、秦昊等合作出演由陈凯歌执导的古装奇幻悬疑电影《妖猫传》全国上映，他在片中饰演最终说服白龙放弃执念的丹翁 ；12月29日，与王俊凯、迪丽热巴、董子健、李鸿其等合作出演由韩杰执导的奇幻剧情电影《解忧杂货店》全国上映，他在片中饰演秦朗父亲 。2018年4月1日，与陈思诚、佟丽娅合作出演由谢泽、陈熙泰联合执导的近代传奇剧《远大前程》在湖南卫视播出，他在剧中饰演梁兴义 ；12月29日，与蔡珩、顾璇合作出演的奇幻冒险电影《云南虫谷》上映 。
2008年，成泰燊的儿子成昊轩出生 。
在电视连续剧《天地民心》中，他无论是形、神都已臻完境，浩然正气即刻浮现。成泰燊一度以“河流般沉稳的表演”诠释人物，其内敛含蓄、老道洗练的表演张力赢得观众的一致好评，有人赞誉他能够赋予影视人物一种独到而迷人的气质。此次扛鼎男一号祁隽藻，成泰燊不仅阅读其著作，更从祁隽藻笔力遒健的书法中揣摩其心理。字如其人，在祁隽藻端庄秀美的笔墨中，成泰燊更解读到了一种人性的亮丽与清正 （搜狐娱乐评）。
在娱乐圈，说起成泰燊这个名字似乎并不熟悉，但是在电影和文艺圈，他的名字却有着最漂亮的光环———中国第六代导演的御用男主角。在国外电影界他的名气也很大,从朱文到贾樟柯再到王小帅，成泰燊的每一次出现都是文艺电影界的盛事，他和这些导演们的合作作品频频在国际各大电影节亮相，硕果累累。在美国知名文化刊物《村声》杂志正式公布的2005年度世界百大演员的排名名单，成泰燊是此榜单中惟一一名中国内地男演员，排名第67位。法国《解放报》对成泰燊的评价是：“河流一般沉稳的表演”（《温州日报》评）。