1916年，赵丹两岁时跟随父母迁居于南通，他的父亲在南通开设影戏院，少时受家庭熏陶，酷爱艺术。中学时代，曾与好友顾而已、钱千里、朱今明等组织“小小剧社”，演出过一些进步话剧。
1931年，考入了由刘海粟创办的上海美术专科学校，师从黄宾虹、潘天寿专攻山水画。其间参加了美专剧团、新地剧社和拓声剧社，并积极参与“左翼剧联”的活动，后改名“赵丹”，深入工厂、市井、学校，演出抗日救亡剧目。
1932年，被明星影片公司李萍倩看中，在无声片《琵琶春怨》中饰演纨绔子弟，从而正式踏入娱乐圈。1933年，加入中国左翼戏剧家联盟；同年，与顾兰君合作主演剧情电影《上海二十四小时》；接着，出演由张石川执导的剧情电影《二对一》；此外，还与艾霞、高倩苹联袂出演剧情电影《时代的女儿》。
1934年，出演由李萍倩执导的剧情电影《三姐妹》；同年，与徐来、龚稼农联合出演剧情电影《到西北去》；接着，由其出演的剧情电影《女儿经》上映；此外，还与高倩苹、梅熹等联合主演了抗战电影《乡愁》。1935年，与徐来、王献斋联袂出演爱情电影《落花时节》；同年，由其出演的剧情电影《热血忠魂》上映；此外，还出演了由张石川执导的剧情电影《大家庭》。
1936年，与谈瑛、王献斋联合出演剧情电影《小玲子》；同年，与黎明辉、英茵联袂出演爱情电影《清明时节》；此外，还与胡蝶共同主演爱情电影《女权》。
1937年，与白杨共同主演剧情电影《十字街头》，在片中饰演呆头呆脑的失业大学生老赵；同年，与周璇共同主演剧情电影《马路天使》，在片中饰演机灵诙谐的乐队的吹鼓手陈少平。
1939年，主演由沈西苓执导的剧情电影《中华儿女》；6月，与徐韬、王为一等前往新疆进一步开拓戏剧工作，后被反动军阀盛世才监禁，系狱5年。1945年春，赵丹回重庆后重返舞台，执导了茅盾的话剧《清明前后》。
1947年，由其执导的剧情电影《衣锦荣归》上映；同年，与秦怡合作主演剧情电影《遥远的爱》；11月，与顾而已、黄宗英联合主演的喜剧电影《幸福狂想曲》上映。
1949年，与吴茵、上官云珠联合主演剧情电影《乌鸦与麻雀》，在片中饰演自以为聪明的“小广播”肖老板，他凭借该片获得中国文化部优秀影片个人一等奖；同年，与黄宗英搭档主演剧情电影《丽人行》。1950年，与黄宗英合作主演剧情电影《武训传》。
1951年，出演由郑君里执导的剧情电影《我们夫妻之间》。1953年，执导由黄宗英、王龙基共同主演的剧情电影《为孩子们祝福》。1956年，与白杨共同主演剧情电影《为了和平》；同年，由其主演的传记电影《李时珍》上映。1957年，与崔嵬、王丹凤合作主演剧情电影《海魂》，在片中饰演爱国正义的水兵陈春官；同年，加入中国共产党。
1958年，由其主演的传记电影《林则徐》上映，在片中饰演正直刚毅、乐观豁达、精力充沛的钦差大臣林则徐；同年，担任剧情电影《第三次试验》的编剧。1959年，主演由郑君里执导的传记电影《聂耳》。1964年，自编自导剧情电影《青山恋》。
1965年，与于蓝、张平联袂主演剧情电影《烈火中永生》，饰演重庆地下党领导许云峰，这是他生前拍摄的最后一部影片。1966年，“文化大革命”期间，深受“林彪、江青反革命集团”的残酷迫害，被囚禁达5年。
1977年，赵丹专案组宣布恢复他中共党员的组织生活。1977年，迎新晚会在文化广场举行，赵丹复出，首次露面朗诵纪念周恩来的散文诗《中南海的灯光》。
1980年10月10日，赵丹因患癌症在北京病逝，终年65岁。1995年，赵丹获得中国电影世纪奖最佳男演员奖。2005年，赵丹获得中国电影百年百位优秀演员奖
烈火中永生1965
饰演许云峰 导演水华 主演于蓝
青山恋1964
导演赵丹 , 徐韬 主演高博
风流人物数今朝1960
饰演高海林 导演赵明 , 俞仲英 主演齐衡
聂耳1959
饰演聂耳 导演郑君里 主演王蓓
林则徐1958
饰演林则徐 导演郑君里 , 岑范 主演韩非
海魂1957
导演徐韬 主演王丹凤
李时珍1956
导演沈浮 主演仲星火
为了和平1956
饰演Jiang Ao 导演黄佐临 主演白杨 , 冯笑
武训传1951
饰演Wu Xun 导演孙瑜 主演蒋天流 , 张翼
我们夫妻之间1951
饰演Li Ke 导演郑君里 主演蒋天流 , 王桂林
1964年 《青山恋》 电影
1953年 《为孩子们祝福》 电影
1947年 《衣锦荣归》 电影
2005年《银幕形象创造》中国电影出版社
▪ 2005 中国电影百年百位优秀演员奖 （获奖）
▪ 1995 中国电影世纪奖最佳男演员奖 （获奖）
▪ 1949 中国文化部优秀影片个人一等奖 《乌鸦与麻雀》 （获奖）
赵丹有着激情澎湃、个性飞扬的表演艺术。即使是在银幕与正史之外，赵丹也是一个可供后人评说的无尽话题。他那单纯耿介、孩童般天真无邪的人格气质, 曾为他的演艺生涯带来源源不断的才情和灵感, 成就了他的艺术创造，但也让他在人生与政治的舞台上屡屡失措，辗转流离。仿佛有一条无法弥合的深刻裂痕永远横亘在他的艺术理想与时代主旋律、以及他的性格禀赋与世故人情之间（电影艺术评）。
在电影《李时珍》中，赵丹饰演李时珍，准确地把握了李时珍的精神气质和性格特征，随着年龄的递增和环境的变迁，把角色青年时的稚真倔强，中年时的执著追求和进入老年后的敦厚深沉，表演得细致入微，形神毕肖。在电影《林则徐》中，他饰演的林则徐，在表演上吸收了中国写意画中大落笔的手法，从人物形象的整体把握和规定情景出发，全局在胸，张弛有致，感情真挚浓烈，气势宏伟磅礴，创造了这位在中国近代史上反帝爱国的民族英雄形象。在近半个世纪的艺术生涯中，孜孜以求现实主义的创作手法，不断探索中华民族的表演艺术体系，强调趣在法外，诗中有画，画中有诗的创作意境；他的表演，主张用体验和体现的和谐统一，洒脱自如，形神兼备，意境深邃，具有其独特的艺术风格（腾讯评）。
