Nasceu em Salvador, mas foi criado em Rodelas, a 460 km da capital. Essa época de sua vida foi fundamental, a infância foi muito ligada a natureza, ao local onde cresceu.

Como José Moura, seu pai, era militar, a família, constituída ainda da mãe, Alderiva, e da irmã mais nova Lediane habituou-se a mudar de cidade e até mesmo de estado, indo para o Rio de Janeiro certa vez.

Sua relação com o teatro se deu graças a uma menina esquisita como ele para a maioria dos colegas da escola. Iniciou teatro no Colégio Mendel no grupo formado pela professora Cristina Rodrigues, chamado Grupo Pasmem. Na Casa Via Magia passaria a estabelecer maior relação com a carreira que não tinha pretensão de seguir na época, tomando gosto pelo jornalismo, tendo se formado na profissão na Universidade Federal da Bahia. No início da carreira chegou a ser repórter de um programa de TV, o Michele Marie Entrevista, na TV Bahia (afiliada da Rede Globo), onde conversava com várias celebridades.

Investiu na carreira de ator quando seguiu com a peça A Máquina para o Rio de Janeiro junto com seus amigos Lázaro Ramos e Vladimir Brichta.

No cinema, começou com os curtas Pop Killer, de Victor Mascarenhas, e Rádio Gogó, de José Araripe Jr. Seu primeiro longa foi Sabor da Paixão (Woman on Top), da venezuelana Fina Torres, no qual fazia uma pequena participação.

Com a abertura do cinema brasileiro para novas caras, foi possível marcar presença em várias fitas nacionais, tais como Abril Despedaçado, de Walter Salles; As Três Marias, de Aluizio Abranches; Deus é Brasileiro, de Cacá Diegues; Nina, de Heitor Dhalia; O Homem do Ano, de José Henrique Fonseca; O Caminho das Nuvens, de Vicente Amorim.

Em Recife, filmava Deus é Brasileiro e lia o livro de Dráuzio Varella quando ficou sabendo dos testes para o filme Carandiru. Pediu para o encarregado do making of lhe ajudar a gravar uma fita que seria enviada para a produção, a qual ficou muito escura, e só possibilitava ouvir o ator lendo trechos do livro. Tempos depois Hector Babenco o chamaria para testes, que o fariam integrar o elenco como o presidiário, traficante e viciado em drogas Zico.

Partiu para a televisão a convite de Antônio Fagundes que o chamou para a retomada do seriado Carga Pesada, no qual fez Pedrinho, o filho de Bino (Stênio Garcia). Em seguida veio o seriado Sexo Frágil, peça que após virar quadro do Fantástico seguia a trilha para substituir Os Normais nas noites de sexta-feira. Com cerca de vinte episódios, dirigido por João Falcão, criado por Luís Fernando Veríssimo e adaptado por Guel Arraes, teve apenas a primeira temporada lançada em DVD.

A peça Dilúvio em Tempos de Seca ficou em cartaz no Rio de Janeiro, São Paulo e terminou sua temporada no Festival de Teatro de Curitiba no Teatro Guaíra para um público de mais de 4000 pessoas nos dois dias em que se apresentou. Com seu término o ator ficaria voltado para a televisão e o cinema. Texto de Marcelo Pedreira e direção de Aderbal Freire Filho, tinha Wagner como um escritor que utilizava uma modelo decadente, a atriz Giulia Gam, como musa inspiradora para um livro de amor, porém o casal entre tentativas de entendimento tinha ainda a presença da solidão.

Estreou em novelas no horário das sete com A Lua me Disse de Miguel Falabella, protagonizando o galã Gustavo, ao lado da vilã interpretado pela atriz Natália Lage de realidade contrastante com os demais personagens por ele interpretados até aí. Emendou em seguida à novela a minissérie JK, em que fazia o personagem-título quando jovem.

Na televisão como no cinema fez várias participações, tendo estado em episódio de A Grande Família, do quadro "Fazendo História", do programa Cena Aberta na adaptação do livro de Clarice Lispector, A Hora da Estrela, no especial de final de ano Programa Novo e no quadro "Sitcom.br".

Casado com a jornalista e fotógrafa Sandra Delgado, tem três filhos: Bem, Salvador e José. É torcedor do Esporte Clube Vitória e costuma ir aos jogos do time, principalmente no Rio de Janeiro, onde mora.

Interpretando o vilão da novela das oito, de Gilberto Braga e Ricardo Linhares, Paraíso Tropical e com a série de polêmicas do filme Tropa de Elite, e de sua atuação tanto como o empresário Olavo Novaes como com o policial do BOPE, Capitão Nascimento, tornou-se popular nos quatro cantos do país, reconhecido imensamente por público e crítica como um dos grandes nomes da sua geração de atores e escolhido pela Vogue o "Homem do Ano" em 2007.

Estreou em 21 de junho de 2008 no Teatro FAAP a peça Hamlet, de William Shakespeare, que, nas palavras do ator, era um sonho antigo. Tendo comprado uma tradução muito ruim numa feira de livros teria ficado encantado com a história, que não imaginava poder ser montada por sua grandeza. Depois de muito tempo sem pisar nos palcos, procurando o meio de retomar sua relação com o teatro convenceu-se de que Hamlet, enquanto peça, tinha sido escrita para ser feita, daí resolveu atuar e produzir, juntamente com o amigo Sérgio Martins, a mesma com elenco composto pelos atores Tonico Pereira, Felipe Koury, Caio Junqueira, Fábio Lago, os quais conheceu durante as filmagens de Tropa de Elite, Carla Ribas, Cláudio Mendes, Georgiana Góes, uma de suas primeiras amigas quando veio ao firmar-se no Rio e por quem tem grande admiração, Gillray Coutinho, e Marcelo Flores, dirigida por Aderbal Freire-Filho. Tendo o ator Claudio Mendes sido substituído pelo ator Candido Damm.

O processo teatral gravado por sua mulher, Sandra, para a formulação do documentário Além Hamlet, teve alguns minutos exibidos no canal Multishow.

Está em mais três curtas: Desejo, Ópera do Mallandro e Blackout, premiado no Festival de Gramado; nos filmes Ó Paí Ó, Saneamento Básico, o Filme, A Máquina e Romance que teve o lançamento adiado várias vezes, tendo enfim estreado no Festival do Rio.

O Destino de Miguel, dublagem do filme Shakespeare Apaixonado, começou como uma brincadeira entre amigos e acabou ganhando notoriedade tendo se popularizado na internet, o que ocasionou uma segunda versão, O Retorno de Miguel.

A retomada da banda que tinha em 1992, Sua Mãe, deu-se em 2008, se apresentando no programa da televisão a cabo Circo do Edgard e no Altas Horas, com a gravação do CD demo The Very Best of the Greatest Hits of Sua Mãe - demo vol. 1, uma página no MySpace, e alguns shows. Ao lado de Gabriel (arranjos, guitarra e vocal), Leco (bateria), Serjão Brito (baixo), Ede Marcus (guitarra base e vocal), Tangre Paranhos (teclados e vocal) e Claudinho David (violão, ritmo e vocal), todos amigos de longa data e conhecidos dos tempos de faculdade, Wagner é o vocalista. A banda estreou em 2009 um site no Portal MTV e em maio de 2010 lançou o primeiro CD da banda, utilizando-se do mês do dia das mães para relacionar o mesmo, na tentativa de atingir maior vendagem.

Em maio de 2008, Wagner Moura publicou uma carta aberta mostrando indignação com o programa Pânico na TV.

Notadamente assediado, recebe proposta para assinar contrato com emissoras de televisão, não se responsabilizando por preferir assinar apenas contratos por trabalhos que lhe interessem. Wagner Moura é membro do Movimento Humanos Direitos.

Em 2012, foi o vocalista convidado para o "MTV ao vivo Tributo à Legião Urbana" realizado no Espaço das Américas (SP) e transmitido ao vivo pela própria MTV. Wagner Moura não escondia a satisfação, pois o mesmo afirmou em várias entrevistas ser grande fã da banda.

Em 2013, afirmou à revista Rolling Stone que não faria mais novelas e se dedicaria ao cinema. Em 2014, voltou dizendo que não "descarta" fazer.

O filme Elysium marcou sua estreia em Hollywood ao lado de Matt Damon, Jodie Foster e Alice Braga. O filme de ficção científica foi orçado em US$ 115 milhões. Na pele de Spider, ele dá uma missão a um antigo colega, Max (Damon), que para tentar se curar de um acidente de trabalho, acaba aceitando e entra em uma batalha para mudar o destino da humanidade.

Como diretor, trabalhou no videoclipe da canção "Te Amo" do álbum Bicicletas, Bolos e Outras Alegrias, da cantora mato-grossesse Vanessa da Mata e planeja o lançamento de um filme sobre Carlos Marighella, ex-deputado, poeta e guerrilheiro morto por agentes do regime militar em 1969.

Em abril de 2015, Wagner foi confirmado para interpretar um dos "sete homens" do filme Sete Homens e um Destino, remake do clássico de faroeste de 1960 ao lado de nomes como Denzel Washington, Chris Pratt, Ethan Hawke, Vincent D'Onofrio, Haley Bennett e Luke Grimes, com previsão de estreia em 2017, mas teve de declinar do convite devido ás filmagens da série Narcos, da qual era protagonista. Em agosto do mesmo ano estreou a série Narcos pela Netflix, na qual interpreta o traficante de drogas colombiano Pablo Escobar. Atuação elogiada pela crítica americana, que lhe rendeu uma indicação ao Globo de Ouro 2016. No geral, a série recebeu críticas satisfatórias, apesar de críticas ao sotaque espanhol do ator como o ponto negativo.