
Giamatti mengawali karirnya sebagai aktor karakter sebelum akhirnya berhasil memperoleh peran utama dalam film dan televisi. Ia telah menerima banyak penghargaan termasuk Primetime Emmy Award dan dua Golden Globe, serta mendapatkan nominasi Academy Award. Setelah belajar akting di Yale School of Drama, Giamatti tampil dalam berbagai produksi teater. Debut Broadway-nya adalah saat ia memerankan Ezra Chater dalam drama Tom Stoppard, Arcadia pada tahun 1995. Pada tahun yang sama, ia juga berperan sebagai Rev. Donald "Streaky" Bacon dalam drama David Hare, Racing Demon. Ia kembali ke panggung teater dalam pertunjukan ulang Three Sisters karya Anton Chekhov (1997) dan The Iceman Cometh karya Eugene O'Neill (1999).
Peran yang membuat Giamatti dikenal luas dalam dunia film adalah dalam Private Parts (1997), yang kemudian membawanya mendapatkan peran-peran pendukung dalam My Best Friend's Wedding (1997), Saving Private Ryan (1998), dan Man on the Moon (1999). Ia meraih pujian atas peran utamanya dalam American Splendor (2003), Sideways (2004), Win Win (2011), Private Life (2018), dan The Holdovers (2023). Ia mendapatkan nominasi Academy Award untuk kategori Aktor Pendukung Terbaik atas perannya sebagai Joe Gould dalam Cinderella Man (2005). Selama ini, ia juga berakting dalam The Illusionist (2006), Fred Claus (2007), The Ides of March (2011), 12 Years a Slave (2013), dan Saving Mr. Banks (2013). Ia juga memerankan Limbo dalam Planet of the Apes (2001), Eugene Landy dalam Love & Mercy (2014), dan Jerry Heller dalam Straight Outta Compton (2015).
Di televisi, Giamatti memerankan peran utama dalam miniseri HBO John Adams (2008), yang mendapatkan pujian dan beberapa penghargaan termasuk Primetime Emmy dan Golden Globe. Ia juga berperan sebagai Jaksa Amerika Serikat Chuck Rhoades Jr dalam serial televisi Showtime Billions (2016–2023), dan mendapatkan nominasi Emmy atas perannya sebagai Ben Bernanke dalam film HBO Too Big to Fail (2011), dan Harold Levinson dalam serial PBS Downton Abbey (2013).
Giamatti menyelesaikan pendidikannya di The Foote School dan lulus dari Choate Rosemary Hall pada tahun 1985. Ia kemudian melanjutkan pendidikannya di Universitas Yale, di mana ia aktif dalam teater mahasiswa dan bekerja dengan rekan aktor dan mahasiswa Yale lainnya, Ron Livingston dan Edward Norton. Ia lulus pada tahun 1989 dengan gelar sarjana dalam bidang bahasa Inggris dan kemudian meraih gelar master of fine arts dari Yale School of Drama, di mana ia belajar dengan Earle R. Gister. Ia tampil dalam berbagai produksi teater, termasuk di Broadway dan di Annex Theater Seattle dari tahun 1989 hingga 1992, sebelum muncul dalam beberapa peran kecil di televisi dan film pada awal tahun 1990-an. Pada tahun 2023, Giamatti dianugerahi gelar Doctor of Fine Arts kehormatan dari Yale.