Très tôt Jérémie Rénier prend des cours de théâtre (stages d’été à la Rétine du Plateau) et s’initie à l’art du mime, à l’école du cirque de Bruxelles. Âgé de 10 ans, il fait de la figuration dans les Sept Péchés capitaux de Beatriz Flores et décroche son premier rôle à 11 ans dans un téléfilm, la Mélodie des héros. Il poursuit sa carrière au théâtre en interprétant Pinocchio au Théâtre Royal de Mons.

À 15 ans c’est la révélation : les frères Dardenne lui confient le premier rôle de la Promesse. Applaudi par la critique, le film connaît le succès en Belgique et en France où Jérémie Rénier commence à se faire un nom. Le réalisateur François Ozonle dirige dans les Amants criminels. La même année, il est aussi François de Réan dans Saint-Cyrde Patricia Mazuy.

Le jeune acteur n’en finit pas de s’élever et obtient le rôle du marquis Thomas d’Apcher dans le blockbuster de Christophe Gans, le Pacte des Loups, en 2001. Cette même année, il enchaîne les films : le Pornographede Bertrand Bonello et la Guerre à Parisde Yolande Zauberman.

En 2003, il joue dans Violence des échanges en milieu tempéréde Jean-Marc Moutout, En Territoire indiende Lionel Eppet se voit attribuer un petit rôle dans le San Antoniode Fred Auburtin.

En 2004, il est Cédric dans le Pont des Artsd’Eugène Green. En 2005, il retrouve les frères Dardenne pour l’Enfant. Présenté à Cannes, le film rencontre un vif succès et projette Jérémie sous les feux de la rampe. Plus récemment, on a pu le voir, en 2006, dans Président de Lionel Delplanqueet il est aux côtés de Florence Forestidans le très belge Dikkenek avant de partager l’affiche de Nue propriétéde Joachim Lafosseavec Isabelle Huppert.

En 2006, il fait preuve de Fair play avant de rejoindre le cabinet du Président sous la direction de Lionel Delplanque. Tête d'affiche de Nue propriété, Joe Wright lui offre un second rôle dans Reviens-moi. Laetitia Masson fait de lui un Coupable en 2008, tandis que Olivier Assayas lui propose de passer à L'Heure d'été.

En 2008, il rejoint le casting international de Bons baisers de Bruges avant de tourner, pour la troisième fois, sous la direction des frères Dardennne, dans le drame Le silence de Lorna.

L'acteur enchaîne ensuite les comédies : Pièce montée (2009), Potiche (2010) et Philibert, capitaine puceau dont il incarne le personnage principal (2011).