Son père, Ernie Smith, était journaliste, peintre et jusqu'aux années 1970, un membre du parti communiste anglais. Né à New-York d'une famille d'immigrant britannique d'origine irlandaise, il a changé son nom « Smith » pour « Roth » après la Seconde Guerre mondiale, afin de cacher sa nationalité lors de ses voyages dans des pays hostiles au Royaume-Uni.
Dans sa jeunesse, Tim Roth voulait être sculpteur et a étudié à l'école d'art de Camberwell à Londres.
Sa carrière d'acteur débute à 21 ans avec le rôle d'un jeune skinhead pour le téléfilm Made in Britain d'Alan Clarke. En 1984, il est récompensé pour son rôle de tueur dans le film de Stephen Frears :
The Hit. Durant les années 90, il commence à retenir l'attention du public en interprétant Vincent van Gogh dans le film de Robert Altman Vincent et Théo, et Guildenstern dans le film Rosencrantz et Guildenstern sont morts de Tom Stoppard.
Quentin Tarantino lui offre alors le rôle de M. Orange dans son premier long-métrage Reservoir Dogs. Ils travailleront à nouveau ensemble dans Pulp Fiction, où Tim Roth joue un personnage secondaire de braqueur. En 1995, il interprète un aristocrate sadique dans le film dramatique de Michael Caton-Jones :
Rob Roy. Ce rôle lui vaudra plusieurs nominations ainsi qu'un BAFTA Award.
En 1999, Tim Roth réalise son premier long-métrage The War Zone, une histoire d'inceste dans une famille britannique adaptée d'un roman d'Alexander Stuart. Il reçoit un très bon accueil critique et reçoit de nombreuses récompenses notamment au Festival international du Film de Berlin.
La Warner Bros avait proposé à Tim Roth de rejoindre le casting de la saga Harry Potter où il aurait interprété Severus Rogue. Il a refusé le rôle qui a été confié à Alan Rickman. À la même époque, il interprète le général Thade dans La planète des singes de Tim Burton. Il interprète le rôle principal dans L'Homme sans âge de Francis Ford Coppola et le rôle du père de famille dans Funny Games U.S. de Michael Haneke, un remake de
Funny Games que Michael Haneke avait réalisé dix ans plus tôt en Autriche. Il joue également dans L'incroyable Hulk, un film d'action américain réalisé par le français Louis Leterrier.
Depuis 2009, il tient le rôle principal dans la série télévisée Lie to Me, diffusée sur la Fox aux États-Unis et sur M6 en France.