Né d’un père danois et d’une mère française, Niels Arestrup grandit dans un milieu ouvrier. À 19 ans, il suit des cours d’art dramatique puis rejoint une troupe de théâtre. Au cinéma, il commence par des seconds rôles pour Resnais et Lelouch, puis s’impose au théâtre en interprétant Tchékhov. Il poursuit une carrière entre théâtre, cinéma et télévision. Ses prestations dans De battre mon cœur s’est arrêté et Un prophète, lui valent le César du meilleur acteur dans un second rôle.