Secondogenito in una squadra di soli fratelli maschi (se ne contano ben quattro), Denis Podalydès cresce quasi in simbiosi con suo fratello maggiore Bruno. I due dividono il comune cammino di attori, sceneggiatori e registi. Purtroppo, uno dei quattro (Éric) deciderà di abbandonare prematuramente gli altri tre, preferendo uscire definitivamente dalle scene con un triste suicidio. È appunto in sua memoria che viene realizzato il film del 2001 Liberté-Oléron, diretto da Bruno, ma interpretato e scritto da Denis.
Figlio di un farmacista e di un'insegnante di inglese, Denis prende il meglio da un ambiente all'interno del quale l'affetto, la comunicazione e il confronto lo aiuteranno a interpretare meglio ogni gesto, ogni dettaglio o particolare, alla ricerca di emozioni da riprodurre per il grande schermo. Per questo, dopo aver studiato lettere e filosofia al Lycée Fénelon, accanto ai registi Stéphane Braunschweig e Emmanuel Bourdieu, entra ai Cours Florent e poi al Conservatoire National Supérieur d'Art Dramatique assieme agli attori Philippe Uchan, Michel Bouquet e Jean-Pierre Miquel.

L'indisposizione dell'attore
Conclusi gli studi alla fine degli Anni Ottanta, prima che possa recitare davanti a un grande pubblico passeranno almeno dieci anni. Per motivi personali che minarono alla sua sicurezza e alla sua professionalità, Polaydès non riusciva a entrare nei personaggi teatrali che gli venivano proposti ed era pertanto licenziato da ogni produzione nonostante mesi e mesi di prove. Assumerlo per qualche spettacolo, quindi, era spesso accompagnato da un certo sentimento di scetticismo e, per non nuocere al resto della sua carriera, gli fu consigliato di non divulgare questa suo cronico blocco professionale. La scusa di questa sua "indisposizione" fu quella di aver contratto una meningite. Bugia che spinse molte persone e tanti amici a non andare mai a trovarlo a casa. Malgrado questo, gli risultava molto più facile stare davanti a una cinepresa, tanto è vero che in questa parte della sua vita comincia la sua lunga gavetta cinematografica con titoli esclusivamente francesi (
Il pianeta verde, La cliente). Solo alla fine degli Anni Novanta, quando Nicolas Lormeau lo vorrà per portare sulle scene "Ruy Blas", la situazione si sbloccherà. Per sua stessa ammissione, lottò per sei mesi contro se stesso e contro il personaggio prima di aver fugato ogni dubbio sulle sue capacità. Sei mesi che gli sembrarono dieci anni. Ma una volta ottenuto il battesimo sulle scene, tutte le sue preoccupazioni svaniranno improvvisamente e le porte della Comédie-Française si apriranno poco dopo, facendolo diventare il 505° attore a farne parte. Parallelamente, presta la sua voce per realizzare audiolibri di autori come Charles Baudelaire, Rousseau, Denis Diderot, Gogol e tanti altri, e continua a recitare in importanti produzioni nazionali ed europee (I figli del secolo, Figlio di due madri, Baciate chi vi pare, È più facile per un cammello..., Il mistero della camera gialla, Niente da nascondere, Caos calmo), quasi sempre in ruoli secondari.

Il presidente Sarkozy e Resnais
Importantissimo il suo ritratto del Presidente della Repubblica Nicolas Sarkozy in La Conquête (2011) di Xavier Durringer. L'impressionante somiglianza e l'ottima aderenza al personaggio non sfuggono ai critici che ne esaltano la perfomance e decretano l'assoluta maturità dell'artista. Nel 2011, veste i panni del vecchio maestro di scuola ne Il primo uomo, poi ritorna al cinema con un film diretto dal fratello Bruno Adieu Berthe - L'enterrement de mémé e con uno diretto dal grande Alain Resnais Vous n'avez encore rien vu.

La regia teatrale
Sentendosi ormai pronto per una prossima sfida, tenta la strada della regia teatrale portando sulle scene "Le Cas Jekyll" di Christine Montalbetti. Il successo che ne deriva è uno stimolo che lo induce a proseguire anche con regie non strettamente legate alla prosa. Quando gli verrà chiesto di diventare l'amministratore della Comédie-Française, sostituendo il grande Marcel Bozonnet, rifiuterà categoricamente il posto, asserendo che un attore non è felice se fa l'amministratore. Continuerà così a preferire la recitazione alla gestione di un'imponente macchina teatrale, apparendo così al cinema in altri film come Libero e scansafatiche, La meccanica delle ombre, Il professore cambia scuola, La belle époque, L'ufficiale e la spia e Imprevisti digitali.

Vita privata
Spesso accreditato come Denis Podalydès de la Comédie Française, è diventato padre di un bambino, Georges.