Né le 30 juin 1959 à New York, Vincent D'Onofrio grandit à Hawaï puis en Floride mais l'envie de suivre une formation théâtrale le fait revenir à New York. Déjà, il se voit offrir quelques petits rôles pour l'Université de New York et travaille occasionnellement comme videur les boîtes de nuit de la ville.
Sa carrière cinématographique démarre en 1983 dans The First Turn-On où il ne fait qu'une apparition mais c'est l'année 1987 qui marque un véritable tournant dans sa carrière, avec son interprétation très remarquée dans Full Metal Jacket du célèbre Stanley Kubrick.
Dès lors, il enchaîne les rôles dans de grands films parmi lesquels JFK d'Oliver Stone en 1991, The Player de Robert Altman, Malcolm X en 1992, Ed Wood de Tim Burton en 1994, Men in Black de Barry Levinson en1997 et The Cell en 2000.
En 2001, il obtient le rôle principal de la seconde série dérivée de New York District : New-York Section Criminelle.