Il se fait connaître grâce au rôle du soldat Leonard« Engagé Baleine » Lawrence dans le filmFull Metal Jacket (1987) deStanley Kubrick.
À la télévision, il est notamment connu pour avoir joué durant 10 ans le rôle de l'inspecteur Robert Goren dans la sérieNew York, section criminelle (2001-2011). Depuis 2015, il incarne dans les œuvres de l'univers MarvelWilson Fisk / Kingpin qu'il joue dans un premier temps dans la sérieDaredevil (2015-2018). En 2019, il joue dans la série historiqueGodfather of Harlem, dans le rôle du parrainVincent Gigante alias « The Chin».
Vincent D'Onofrio a enchaîné les rôles mineurs, jusqu'àFull Metal Jacket deStanley Kubrick où il interprète le rôle de la recrue Lawrence, dit « Gomer Pyle » (« Engagé Baleine » dans la version française), rôle pour lequel il a dû prendre une trentaine de kilos[2].
Il intègre la distribution de lasérieNew York, section criminelle (Law and Order Criminal Intent) en 2001, dans le rôle de l'inspecteurRobert Goren[2]. Après quelques années, de nombreux désaccords apparaissent entre lui et la production et il n'interprète plus que quelques épisodes par saison[2]. Mi-juillet 2011, la série est annulée faute d'audience, après 10 saisons[3].
Depuis 2015, il interprète le rôle deWilson Fisk, l'antagoniste principal, dans l'adaptation télévisée du comicDaredevil produite parNetflix.
Le 1er juin 2023, il annonce qu'il aimerait reprendre le rôle de Goren et espère ainsi le retour de la série qui s'est arrêtée en 2011[4].
En 1989, Vincent D'Onofrio épouse l'actriceGreta Scacchi, avec qui il a une fille,Leila George, née en 1992, actrice également[2]. Ils divorcent en 1993.
En 1997, il se remarie avec Carin van der Donk[5], dont il a un fils Elias Gene en 2000 ; ils se séparent en 2003 mais reprennent la vie commune avant d'accueillir leur deuxième fils Luka.
Enversion française, Vincent D'Onofrio est doublé à huit reprises parGilles Morvan et à sept reprises par Thierry Buisson (notamment dansNew York, section criminelle), mais aussi à six occasions parThierry Hancisse (dans l'universMarvel entre autres). En parallèle, il est doublé trois fois parJean-François Vlérick[6] dansThe Player,Stuart sauve sa famille etBirds of Paradise et Jean-Jacques Nervest[6] dansLe Gang des Newton,That Championship Season etIrish Gangster.