Paul Stephen Rudd est né à Passaic dans le New Jersey dans une famille de confession juive. Son père, Michael Rudd, était un guide touristique et ancien Vice-Président de Trans World Airlines. Il est décédé suite à un cancer en 2008. Sa mère, Gloria Irene (Granville), est la directrice commerciale de la chaîne télévisée américaine KCMO-TV dans la ville de Kansas City dans le Missouri. Ses parents sont nés en Angleterre. Son père vient de Edgware et sa mère de Surbiton, près de Londres. Ses deux parents descendent de familles juives venant de Russie, de Pologne et de Biélorussie. Le nom original du père de Rudd était « Rudnitsky », mais son grand-père l'a changé pour « Rudd ». Le nom de jeune fille de sa mère était « Goldstein ».
Après avoir beaucoup joué sur scène, il se révèle au grand public en 1993 avec la série Les Sœurs Reed, où il tient un rôle récurrent. Deux ans plus tard, il commence sa carrière cinématographie avec Halloween 6 : La Malédiction de Michael Myers et Clueless, suivi en 1996 de Roméo + Juliette.
Ce n'est qu'en 1999 qu'il obtient son premier grand rôle dans la comédie sentimentale L'Objet de mon affection, aux côtés de Jennifer Aniston, où il interprète le rôle d'un instituteur homosexuel se liant d'amitié avec le personnage joué par la comédienne.
En 2001, il collabore pour la première fois avec deux réalisateurs qui l’accompagneront par la suite : tout d'abord David Wain, pour une comédie à très petit budget devenue depuis culte aux États-Unis, Wet Hot American Summer, et réunissant de futures stars hollywoodiennes, Bradley Cooper, Amy Poehler et Elizabeth Banks. Puis avec Jesse Peretz, pour The Château.
En 2003, il joue avec Rachel Weisz dans le drame sentimental Fausses Apparences, une adaptation de la pièce The Shape of Things, écrite et mise en scène par l'auteur lui-même, Neil LaBute.
Il confirme néanmoins son interprétation pour la comédie, en participant aux deux dernières saisons (2002-2004) de la série Friends, où il interprète le personnage de Mike Hannigan, le petit ami puis mari de Phoebe (Lisa Kudrow).
À la fin de la série, il se fait remarquer via des seconds rôles dans des comédies populaires produites par Judd Apatow : le premier grand succès critique et commercial de Will Ferrell en 2004, Présentateur vedette : La Légende de Ron Burgundy, puis en 2005 celui de Steve Carell avec 40 ans, toujours puceau.
Il ne quitte pas pour autant le cinéma indépendant américain, puisqu'il tient en 2006 les premiers rôles masculins de Diggers et The Oh in Ohio. La même année, il tient un petit rôle dans la comédie fantastique La Nuit au Musée, énorme succès commercial.
En 2007, il est à l'affiche de près de six films : il joue dans la comédie romantique indépendante Trop jeune pour elle, joue et co-produit la comédie The Ten, écrite et réalisée par David Wain et Ken Marino. Il fait aussi des apparitions dans les comédies Son ex et moi, Alerte à Miami : Reno 911 ! et une production d'Apatow : Walk Hard: The Dewey Cox Story.
En 2008, il incarne le premier rôle de la comédie romantique Le Fantôme de mon ex-fiancée, aux côtés d'Eva Longoria. Le film est un échec critique et commercial. Il tient ensuite un second rôle dans le deuxième long-métrage de Judd Apatow : En cloque, mode d'emploi, énorme succès critique et commercial, mais partage aussi l'affiche de la comédie Les Grands Frères avec Seann William Scott, sous la direction de David Wain. Un autre succès aux box-office américain.
En 2009, il confirme ce statut de tête d'affiche avec I Love You, Man aux côtés d'un autre acteur engagé par Judd Apatow, Jason Segel. Le film est salué par la critique et très bien reçu par le public nord-américain.
En 2010, il joue dans l'adaptation hollywoodienne de la comédie française Le Dîner de cons, dont il partage l'affiche avec la star Steve Carell, qui est moyennement reçue par la critique. Puis, il est dans Comment savoir, comédie romantique signée du vétéran James L. Brooks, à laquelle il participe, aux côtés de Reese Witherspoon et Owen Wilson, qui est sévère échec critique et commercial.
En 2011, il tient le premier rôle de la comédie dramatique indépendante Our Idiot Brother de Jesse Peretz, entouré de Zooey Deschanel, Elizabeth Banks et Emily Mortimer. Son interprétation est largement saluée par la critique.
En 2012, il incarne le rôle masculin principal dans la comédie romantique avec Jennifer Aniston et réalisée par David Wain, Peace, Love et plus si affinités, puis joue dans la quatrième réalisation de Judd Apatow, intitulée 40 ans : Mode d'emploi, avec Leslie Mann. Il reprend là son rôle secondaire de En cloque, mode d'emploi, devenu personnage principal à l'occasion de cette réflexion sur la vie de couple. Les deux films sont des déceptions au box-office et les critiques américaines très mitigées, malgré des retours positifs concernant les acteurs. Il joue aussi un second rôle dans la comédie dramatique indépendante Le Monde de Charlie. L'intégralité de la distribution du film est récompensée par un San Diego Film Critics Society Award pour leur performance.
En 2013, il partage l'affiche avec Tina Fey, pour la comédie dramatique Admission. Les critiques sont très mitigées, même si l'interprétation principale est une fois encore saluée. Il tient le rôle principal de Prince of Texas, film indépendant de David Gordon Green, acclamé par la critique, mais reste un échec commercial. Puis, il mène All Is Bright, autre comédie dramatique indépendante, avec Paul Giamatti, aux retours cette fois mitigés. Enfin, il reprend son rôle de Brian Fontana pour la suite d’Anchorman, de nouveau un succès critique et commercial.
En 2014, il partage l'affiche, aux côtés d'Amy Poehler (actrice à qui il donne déjà occasionnellement la réplique dans la sitcom Parks and Recreation), d'une comédie romantique parodique They Came Together réalisée par David Wain. Le film est bien reçu par la critique, mais ne rencontre pas son public .
En 2015, il tient pour la première fois le rôle principal d'un blockbuster hollywoodien dans le film Ant-Man, douzième film de l'univers cinématographique Marvel. Un personnage qu'il a repris pour le film Captain America: Civil War, en mai 2016, ainsi que dans le film Avengers: Endgame, prévu en 2019, et dans la suite d'’Ant-Man, Ant-Man et la Guêpe, sortie durant l'été 2018.
Toujours en 2015, il retrouve ses anciens partenaires du film Wet Hot American Summer à l'occasion d'une suite sous forme de mini-série télévisée à destination de la plateforme de vidéo à la demande de Netflix, intitulée Wet Hot American Summer: First Day of Camp.
En 2016, il revient également au registre dramatique expérimenté avec le film Prince of Texas en menant le film indépendant The Fundamentals of Caring, écrit et réalisé par Rob Burnett.
En 2018, il est la tête d'affiche du drame historique indépendant The Catcher Was a Spy de Ben Lewin, mais aussi aux côtés d'Alexander Skarsgård et Justin Theroux, à la tête du thriller de science-fiction Mute, de Duncan Jones.
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