Jonathan Rhys-Meyers est le fils de Geraldine Meyers et du musicien John O'Keefe. Il tient son nom de scène du nom de sa mère, Meyers.
Il est né avec une grave maladie cardiaque, c'est pourquoi ses parents ont décidé de le faire baptiser peu de temps après sa naissance, pensant qu'il ne survivrait pas. Il a passé les premiers mois de sa vie à l'hôpital. Né à Dublin, il emménagea dans la ville de Cork, à un an. Il a trois jeunes frères nommés Jamie, Alan, et Paul qui sont tous des musiciens professionnels, et deux soeurs, Sharon et Maria, toutes aussi musiciennes.
Ses parents se sont séparés quand il avait trois ans. Sa mère l'a élevé, lui et son frère Alan, alors que ses deux autres frères sont partis vivre chez leur grand-mère avec leur père. Il fut le compagnon de la riche héritière Reena Hammer de 2004 à 2006. Le 20 novembre 2007, il perd sa mère d'une maladie foudroyante.
Rhys-Meyers est renvoyé de son collège, le North Monastery Secondary School, à l'âge de 16 ans. Il passe beaucoup de temps à trainer dans des salles de billard. C'est dans une de ces salles, à Cork, que des agents de casting à la recherche d'un garçon pour le film irlandais La Guerre des boutons le repèrent et l'invitent à une audition. Même s'ils ne lui attribuent pas le rôle, ils lui conseillent vivement de poursuivre une carrière d'acteur.
Peu après, il décroche son premier rôle au cinéma avec A Man of No Importance (1994). En 1996, il figure dans
Michael Collins. Trois ans plus tard, il incarne le cowboy psychopathe, Pitt Mackeson, dans Chevauchée avec le diable, de Ang Lee. Il apparaît ensuite aux côtés de Parminder Nagra et Keira Knightley, dans Joue-la comme Beckham, en 2002. La même année il donne la réplique à Reese Witherspoon dans Vanity fair, la foire aux vanités. Il partage l'affiche du film d'Oliver Stone, Alexandre, avec son compatriote Colin Farrell.
En 2005, Rhys Meyers joue dans le film de Woody Allen, Match Point, pour lequel il reçoit un Trophée Chopard au Festival de Cannes. En 2006, il apparaît dans Mission: Impossible III. En 2007, ça sera August Rush aux côtés de Keri Russell sous la direction de Kirsten Sheridan. Les Orphelins de Huang Shui suivront en 2008. 2009 est l'année de Shelter, où il côtoie Julianne Moore sous la direction des Suédois Måns Mårlind et Björn Stein. 2010 verra arriver
From Paris with love (réalisé par Pierre Morel) dans lequel il donne la réplique à John Travolta. Il fait aussi la pub pour Hugo Boss cette même année.
À la télévision, Rhys-Meyers a joué dans des séries comme Gormenghast (2000) ou le téléfilm Elvis : Une étoile est née, en tant qu'Elvis Presley ou la ressemblance avec le chanteur est surprenante, aux côtés de Rose McGowan. Ce rôle lui valut une nomination aux Emmy Awards, et un Golden Globe. Il est également la vedette de la série Les Tudors, où il joue le rôle du jeune roi Henri VIII. Sa performance lui vaut une nomination pour le Golden Globe du meilleur acteur dans une série télévisée dramatique, en 2007 et en 2008.