En 1954, alors adolescent, il est figurant dans Les Diaboliques d'Henri-Georges Clouzot.

Par la suite, devenu un chanteur vedette, il entame une carrière cinématographique comparable à celle d'Elvis en apparaissant dans des films qui jouent sur son image d'« idole des jeunes », comme Les Parisiennes, Cherchez l'idole, ou D'où viens-tu Johnny ?.

Déçu par ses débuts comme acteur, il commente par la suite : « on ne me confiait que des merdes ». C'est en Italie en 1969, qu'il trouve son premier rôle inattendu en étant le héros d'un western spaghetti, Le Spécialiste, réalisé par Sergio Corbucci.

L'année suivante on le remarque dans Point de chute, film policier de et avec Robert Hossein. Malgré ces diverses tentatives, Johnny Hallyday peine à s'imposer au cinéma, où il ne parvient pas à s'éloigner de son image de chanteur.

En 1972, il apparaît dans son propre rôle dans le film de Claude Lelouch L'aventure c'est l'aventure, où il organise son enlèvement à des fins publicitaires. Il interprète également la chanson titre du film.

Il cesse ensuite de tourner pendant plus de dix ans, si l'on excepte quelques apparitions, [...], notamment dans la comédie, Le jour se lève et les conneries commencent.

Il retrouve le cinéma en 1985, partageant l'affiche avec Nathalie Baye et Claude Brasseur, dans Détective, un film de Jean-Luc Godard, présenté au festival de Cannes. Son interprétation, appréciée par la critique, lui permet d'obtenir une certaine reconnaissance comme acteur.

Costa-Gavras emboîte le pas de Godard, en 1986, avec Conseil de famille.

Mais ces deux succès d'estime sont suivis par une série de déceptions. En 1987, Johnny Hallyday est la vedette de Terminus, un film de science-fiction à la Mad Max 2 qui connaît un gros échec commercial.

En 1989, il tient le rôle-titre de la série télévisée policière David Lansky, dont quatre épisodes sont diffusés sur Antenne 2, sans convaincre durablement les téléspectateurs.

En 1992, la comédie policière La Gamine, dans laquelle il donne la réplique à la jeune Maïwenn, ne séduit pas non plus le public.

Après ces déconvenues, il espace à nouveau sa présence sur les écrans et ne revient au cinéma qu'en 1999 avec Pourquoi pas moi ? de Stéphane Giusti.

L'année suivante, aux côtés de Sandrine Kiberlain, il incarne un rockeur has-been dans Love me de Laetitia Masson.

En 2003, il interprète un gangster usé et vieillissant dans L'Homme du train, un film de Patrice Leconte dont il partage la vedette avec Jean Rochefort. Sa prestation dans ce dernier film, saluée par la critique, lui vaut le Prix Jean-Gabin.

En 2004, dans le film Wanted (ils vont braquer l'Amérique) de Brad Mirman, il joue le rôle d'un petit truand raté, aux côtés de Renaud, Richard Borhinger, Gérard Depardieu et Harvey Keitel.

Dans le film Jean-Philippe (2006), réalisé par Laurent Tuel, il incarne Jean-Philippe Smet, qui, dans un univers parallèle, n'est pas parvenu à devenir une vedette et qu'un fan, interprété par Fabrice Luchini, va convaincre de rattraper son destin à 60 ans passés.

En 2009, il fait une incursion dans le cinéma asiatique en interprétant le rôle principal du polar hong-kongais Vengeance, réalisé par Johnnie To, ce qu'il considère comme une « consécration ».

En 2011, il effectue ses débuts au théâtre dans Le Paradis sur terre de Tennessee Williams, avec Audrey Dana et Julien Cottereau comme partenaires, sur une mise en scène de Bernard Murat. Les représentations se déroulent au théâtre Édouard VII à Paris, de 6 septembre au 19 novembre 2011.

Le 2 avril 2014, sort Salaud on t'aime de Claude Lelouch, film dans lequel Hallyday partage l'affiche avec Sandrine Bonnaire et Eddy Mitchell.

En 2017, sortent Rock'n Roll de Guillaume Canet et Chacun sa vie de Claude Lelouch, deux films dans lesquels il joue son propre rôle.