Nato a Livorno nel 1964, ha studiato Lettere e Filosofia all'Università di Pisa; si è diplomato in sceneggiatura al Centro Sperimentale di Cinematografia di Roma nel 1987. Autore di soggetti e sceneggiature per il cinema, fa il suo esordio come regista nel 1994 con "La bella vita", presentato alla Mostra del cinema di Venezia, del quale è pure autore di soggetto e sceneggiatura assieme a Francesco Bruni. Nel 1995 realizza "Ferie d'agosto" - anche in questo caso firmando soggetto e sceneggiatura assieme a Francesco Bruni - che vince il premio David di Donatello quale miglior film del 1996. Nel 1997 realizza "Ovosodo", da un copione scritto con Francesco Bruni e con l'ausilio di uno dei suoi maestri, Furio Scarpelli; presentata alla Mostra del Cinema di Venezia, la pellicola ottiene il Gran Premio Speciale della Giuria ed è tra i titoli italiani di maggior successo della stagione. Nel 1999 dirige il film "Baci e Abbracci", interpretato da Francesco Paolantoni e Edoardo Gabriellini. Nel 2002 firma la regia del film "My name is Tanino", girato tra l'Italia, il Canada e gli Stati Uniti. La pellicola scritta con Francesco Bruni e Francesco Piccolo è interpretata dall'esordiente Corrado Fortuna, con la partecipazione di un cast internazionale.  Nel 2003 esce nelle sale italiane il sesto lungometraggio di Paolo Virzì "Caterina va in città" che unisce due dei temi prediletti dal regista livornese: il mondo visto dagli occhi dei ragazzi; l'omologazione tra destra e sinistra indigene, nel quadro d'una più vasta degenerazione antropologica. Tre anni più tardi, "N (Io e Napoleone)" s'inserisce felicemente nella tradizione della commedia nostrana, grazie pure ad un cast assai valido e benissimo diretto. Nel 2008 torna alla propria miglior forma con "Tutta la vita davanti", raccontando la contemporaneità con un'amarezza sorridente ch'è già stata in passato la cifra dei suoi esiti più convincenti. Due anni dopo Virzì firma la sua opera più completa e riuscita: questo ritratto di donna rievoca quello dell’Adriana Astarelli di “Io la conoscevo bene” - anche in virtù della presenza di Stefania Sandrelli - e il tutto sembra rendere omaggio ad Antonio Pietrangeli, alle sue indimenticabili protagoniste.