Après l'obtention d'un diplôme de lettres à l'université de la Sorbonne, il décide de faire du cinéma et commence à réaliser des documentaires et des courts métrages.

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En 1993, il réalise son premier film "Le Condamné" avec Philippe Léotard et Christine Boisson, adapté d'une nouvelle de Jean-Paul Dubois. Il réalise ensuite "J'aime beaucoup ce que vous faites" avec Mathilde Seigner, puis "Dialogue au sommet", avec François Cluzet. En 1998, "L'Interview" avec Mathieu Amalric remportera la Palme d'Or du court métrage ainsi qu'un César.

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Il réalise en 2003 son premier long métrage, "Les Corps impatients", interprété notamment par Laura Smet et Nicolas Duvauchelle, deux acteurs qu'il inclura au casting de son second film, "Une aventure" avec Ludivine Sagnier.

Xavier Giannoli dirige ensuite Cécile de France et Gérard Depardieu dans "Quand j'étais chanteur" en 2006. Inspiré d'un fait divers survenu dans le Nord de la France, "À l'origine" voit François Cluzet incarner un escroc reprenant à son compte la construction d'un chantier d'autoroute.

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Producteur associé du deuxième film de Valérie Donzelli, "La Guerre est déclarée" en 2011, il réalise "Superstar" en 2012. Il y dirige Kad Merad.

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En 2015, il met en scène son sixième film, Marguerite, long métrage historique inspiré de la vie de la cantatrice américaine Florence Foster Jenkins qui avait cette particularité notable de chanter faux, rôle interprété par Catherine Frot.

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Dans L'Apparition (2018), il confie à Vincent Lindon le rôle d'un journaliste mandaté par Le Vatican pour enquêter sur l'apparition de la Vierge à une jeune fille.

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