Si è fatto conoscere per la prima volta dal pubblico americano grazie al ruolo di Mark Chopper Read, nella pellicola Chopper. Il film è diventato prima
un successo in Australia, patria di Bana, dove l'interprete ha ottenuto il premio di miglior attore protagonista da parte dell'Australian Film Critics Circle e l'Australian Film Institute. Il film è stato presentato in anteprima negli Stati Uniti al Sundance Film Festival del 2001 e poi è stato proposto in uscita limitata, ottenendo grandi consensi critici.

Nel 2001, ha recitato con Josh Hartnett, Ewan McGregor e Tom Sizemore in Black Hawk Down di Ridley Scott, prodotto da Jerry Bruckheimer. Bana ha interpretato uno dei soldati di un gruppo d'elite nella pellicola bellica, basata sul resoconto del giornalista Mark Bowden, che raccontava la sfortunata missione statunitense del 1993 in Somalia.
In seguito, è stato Bruce Banner, un esperto di genetica i cui esperimenti lo portano a diventare il protagonista della pellicola del 2003 Hulk, basata sulla celebre serie della Marvel. Diretto da Ang Lee, questo film d'azione vedeva impegnati Jennifer Connelly, Josh Lucas e Nick Nolte. L'anno seguente, ha interpretato Ettore nella pellicola epica di Wolfgang Petersen Troy, basata su L'iliade di Omero, al fianco di Brad Pitt e Orlando Bloom.
Nel 2005, Bana è stato protagonista del controverso e acclamato dramma di Steven Spielberg Munich, ottenendo grandi consensi per il suo sfaccettato ritratto di Avner, il leader del gruppo di elite a cui viene ordinato di individuare e uccidere i responsabili dell'attacco terroristico alle Olimpiadi di Monaco del 1972.
Recentemente, ha incarnato il Capitano romulano Nero nel blockbuster estivo Star Trek, per la regia di J.J. Abrams, e ha partecipato alla commedia di Judd Apatow Funny People, assieme a Seth Rogen e Adam Sandler.
Nella sua filmografia, troviamo anche la pellicola australiana Tre uomini e una pepita (The Nugget); Le regole del gioco (Lucky You) di Curtis Hanson assieme a Drew Barrymore e Robert Duvall; il ruolo di Enrico VIII ne L'altra donna del re (The Other Boleyn Girl), al fianco di Natalie Portman e Scarlett Johansson; e Meno male che c'è papà (Romulus, My Father), che è stato presentato al Festival di Cannes del 2007.
Recentemente, ha esordito alla regia con il documentario Love the Beast, che ha avuto la sua anteprima americana al Tribeca Film Festival nell'aprile del 2009. Avendo come protagonisti Bana, Jay Leno, Jeremy Clarkson di Top Gear’s e il Dr. Phil, la pellicola esplora il significato del suo rapporto 25ennale con la sua prima auto e l'importanza dei legami che si formano attraverso una passione comune.