1995年，余男从大连市第二中学应届毕业，于当年考入北京电影学院表演系本科班，班主任是谢园。

1999年，大学毕业的余男出演王全安执导的《月蚀》，饰演雅男，这是她主演的第一部电影作品，获得第4届法国多维尔亚洲电影节“最佳女演员奖”.2001年，余男凭借《月蚀》受邀参展法国杜威国际电影节，被法国星探相中，出演法国商业电影《狂怒》。

2003年，余男再次出演王全安执导的电影《惊蛰》，饰演关二妹，以黑黑粗粗的农村女孩形象出现，夺得第23届中国电影金鸡奖最佳女主角奖，和第19届巴黎国际电影节、第11届北京大学生电影节、第1届中国电影表演家协会“最佳女主角”奖。

2006年，通晓英文、法文的余男主持在中国电影资料馆举办的“让·雷诺北京见面会暨影片展映”。参演好莱坞影片《权杖》、王小帅的新片《左右》，和 台湾导演李芸婵的新片《基因决定我爱你》。同年，余男在王全安的第三部作品《图雅的婚事》中担任图雅一角，影片入围2007年柏林国际电影节竞赛单元，斩获最高荣誉金熊奖，余男夺得华语电影传媒大奖、芝加哥国际电影节和迦太基国际电影节的“最佳女主角”“最佳女演员”奖项。

2007年3月，余男和吴镇宇合作《双食记》，饰演一位美食主持人；拍摄王全安电影《纺织姑娘》。

2010年，参演高群书执导的电影《西风烈》，饰演杀手。与一众模特登《Elle》 ，全裸出镜拍环保宣传片。担任柏林国际电影节主竞赛单元的评委，成为继巩俐之后第二位担任此职的中国女星。

2012 ，与黄渤主演管虎执导的电影《杀生》，饰演一个寡妇，与黄渤有大尺度激情戏。同年参演由美国千禧年影业与乐视影业联合出品的，由史泰龙、施瓦辛格、李连杰、杰森斯坦森、布鲁斯·威利斯等好莱坞动作明星主演的《敢死队2》，余男饰演来自中国的专门协助布鲁斯·威利斯的女科学家Maggie。

2013年，参演陈思诚担任编剧和导演的电影处女作《北京爱情故事》，饰演张蕾。

2015年，参演的爱情喜剧片《爱我就陪我看电影》于4月30日上映。8月，由夏钢执导，余男、王千源、南宫民等主演的悬疑爱情电影品质之作《月色撩人》在广东东莞拍摄。参演战争史诗级电影《营救飞虎队》。

2016年，搭档胡军主演胡雪桦执导的黑帮传奇电影《上海王》与张译、郭晓冬等人合作，出演青春罪案电影《少年》。

2019年9月6日，与王志文、李立群等合作主演的电影《最长一枪》上映。