Brian Cox è nato il 1° giungo del 1946 a Dundee in Scozia. Sua madre, Mary Ann Guillerline, era una cattolica praticante che lavorava nei mulini e soffriva di frequenti crisi nervose durante l'infanzia di Brian. Suo padre, Charles McArdle Campbell Cox, era un tessitore che morì quando Brian aveva solo nove anni. Quando aveva solo quattordici anni, Brian Cox si unì al Dundee Repertory Theatre ma il suo vero addestramento da attore lo ebbe presso la London Academy of Music and Dramatic Art. Il suo debutto in un film per la televisione avvenne nel 1967 in un episodio di The Prisoner: l'anno successivo ottenne il ruolo del protagonista nella serie The Year of the Sex Olympics mentre nel 1978 recita in Enrico II d'Inghilterra. Il suo debutto cinematografico risale invece al 1971 nel ruolo di Leon Trotsky in Nicholas e Alexandra dopo di che alterna le sue presenze fra il piccolo schermo e i palcoscenici teatrali d'Inghilterra e di Scozia.
La grande occasione gli capita nel 1986 quando Michael Mann, allora giovane e sconosciuto regista americano, lo chiama per affidargli la parte dello psichiatra cannibale Hannibal Lecter in Manhunter - Frammenti di un omicidio, prima riduzione cinematografica di un romanzo di Thomas Harris. Il film è molto in anticipo sui tempi e all'epoca dell'uscita non venne apprezzato per poi venire rivalutato col tempo come uno dei migliori noir degli ultimi trent'anni. La prova di Cox è magistrale e il suo sguardo è sempre perfetto. Non si dimentica facilmente il suo primissimo piano in cui mastica la cicca dopo aver ottenuto furtivamente i dati del detective Will Graham. La cosa buffa è che durante le riprese di Manhunter, mentre Cox stava interpretando Hannibal Lecter, Anthony Hopkins stava recitando al National Theatre il Re Lear. Cinque anni dopo, nel 1991, durante le riprese de Il silenzio degli innocenti con Hopkins nel ruolo di Hannibal Lecter, Cox era impegnato al National Theatre proprio nella parte di Re Lear!
A partire dai primi anni Novanta la carriera cinematografica di Cox subisce un'impennata che lo farà diventare uno dei caratteristi più ricercati e apprezzati. Nel 1990 Ken Loach lo chiamerà per affidargli il ruolo del protagonista del suo L'agenda nascosta, inchiesta condotta da un ispettore londinese sulla morte di un attivista battutosi contro i metodi della polizia. Cinque anni dopo fa parte del cast di Rob Roy, saga western diretta da Michael Caton-Jones. Il 1996 è l'anno in cui inizia la sua vera carriera da caratterista esperto in ruoli secondari di cattivo e ambiguo. Compare in ben tre pellicole: Delitti inquietanti diretto da John Gray, Spy diretto da Renny Harlin e Reazione a catenaper la regia di Andrew Davis. Dal 1996 prosegue al ritmo di due o tre film all'anno, alcuni di buona qualità, altri, com'è inevitabile, tutto sommato trascurabili.
Sarà uno dei protagonisti della saga di Jason Bourne ispirata ai romanzi di Robert Ludlum e soprattutto nel secondo capitolo, The Bourne supremacy, offre un esempio perfetto della sua capacità di dare vigore a personaggi ambigui che con una semplice espressione del viso riescono a far dubitare della loro rettitudine. The Bourne supremacy resta il migliore dei tre capitoli della saga, dal punto di vista della regia, uno degli action più adrenalinici degli ultimi anni, uno dei rari film che provano ad agire anche sul linguaggio cinematografico. Nel frattempo nel 2001 aveva interpretato il maresciallo Hermann Göring durante il processo di Norimberga nel film per la televisione Nuremberg: riceverà numerosi riconoscimenti tra cui un Emmy Award e una nomination ai Golden Globe. L'anno successivo sarà nuovamente candidato agli Emmy, gli Oscar della televisione, per la sua interpretazione in una puntata del celebre Frasier. Sempre nel 2002 riceve i riconoscimenti più importanti come attore sul grande schermo per una pellicola pressoché sconosciuta in Italia: L.I.E. - Long Island Expressway per la regia di Michael Cuesta. Nella parte di Big John Harrigan, un pedofilo che si prende cura di due quindicenni rimasti senza casa e senza genitori, Cox verrà premiato ai Golden Satellite Award e dalla Boston Society of Film Critics ricevendo anche una nomination dall'American Film Institute Awards.
Nel 2003 farà parte del cast dell'horror di Gore Verbinski The Ring e dell'ottimo La 25esima ora di Spike Lee. Diretto da Wolfgang Petersen nel 2004, vestirà i panni di Agamennone nel kolossal Troy e sarà tra i protagonisti dell'ottimo thriller di Wes Craven Red Eye, storia di un viaggio in aereo che inizia come un sogno e che si tramuta rapidamente in un incubo. Nel 2006 Woody Allen lo sceglie per il complesso ruolo del padre nella sua insolita incursione nel thriller con Match Point e come al solito Cox ha la faccia giusta per trasmettere all'azione quel senso di ambiguità necessario a creare la tensione. Non c'è da sorprendersi se David Fincher gli ha voluto assegnare un piccolo ruolo nel suo Zodiac, storia di un celebre serial killer che nell'estate del '69 ha terrorizzato gli Stati Uniti.
Cox ha un figlio, Alan, anch'egli attore. Brian Cox è diabetico e nel corso della sua carriera si è sempre mosso per sensibilizzare l'opinione pubblica e per promuovere la ricerca di cure più efficaci contro la malattia, soprattutto nella sua terra natale. Spesso l'attore racconta di scene in cui il personaggio che interpreta deve mangiare dei dolci e il regista e i produttori vengono colti alla sprovvista dall'annuncio di Cox dell'impossibilità di consumare i dolci sul set e dalla necessità di reperire cibo senza zucchero.
