S-a născut în București, într-o familie de aromâni originari din Munții Pindului.
A absolvit Institutul de Artă Teatrală și Cinematografică I.L. Caragiale, la clasa profesoarei Beate Fredanov, în 1964.
Ion Caramitru a fost un actor strălucit încă de la începutul carierei. A fost protagonist într-o serie de producții teatrale ale unor regizori precum: Liviu Ciulei, Moni Ghelerter, Andrei Șerban, Silviu Purcărete, Sanda Manu, Cătălina Buzoianu, Alexandru Tocilescu și Sică Alexandrescu (jucând în piese precum Steaua fără nume de Mihail Sebastian, Moartea lui Danton de Georg Büchner, Orestia de Eschil, Antigona de Sofocle, Un tramvai numit dorință de Tennessee Williams, Șase personaje în căutarea unui autor de Luigi Pirandello, Mincinosul de Carlo Goldoni și în multe piese ale lui Shakespeare). Ca regizor, Caramitru a pus în scenă lucrări de Frederick Loewe (My Fair Lady), Marin Sorescu (A treia țeapă), Benjamin Britten (Micul coșar), Aleksei Nikolaevici Arbuzov (Minciuna) și Shakespeare (Neguțătorul din Veneția); adaptările sale la La Tragédie de Carmen a lui Bizet în viziunea lui Peter Brook și Evgheni Oneghin de Piotr Ilici Ceaikovski au fost găzduite de Grand Opera House din Belfast.
Caramitru a jucat în peste 40 de filme de lung metraj, făcându-și debutul cu un rol secundar în Pădurea spânzuraților, în regia lui Liviu Ciulei (1964). Printre cele mai cunoscute roluri ale sale sunt Gheorghidiu în Între oglinzi paralele (1978), Ștefan Luchian în Luchian (1981) și Socrate în seria Liceenii (1985-1987). Talentul său, remarcat de producătorii din străinătate, l-a recomandat pentru roluri în filme precum Kafka (1991), regia Steven Soderbergh, alături de Jeremy Irons și Theresa Russell, Mission: Impossible (1996), regia Brian de Palma, Amen (2002), regia Costa Gavras. Pentru rolul din Luchian, regizat de Nicolae Mărgineanu, i-a fost decernat Premiul Special al Juriului în cadrul Festivalului Național al Filmului din 1984.
Ion Caramitru a mai primit de-a lungul vieții, Premiul revistei Cinema pentru interpretare (1976), Premiul Asociației Cineaștilor (1980), Premiul pentru întreaga activitate la Festivalul Internațional de Teatru Actor al Europei, Prespa, Macedonia (2016).
Pentru munca sa în stabilirea legăturilor culturale britanico-române, Caramitru a fost numit Ofițer al Ordinului Imperiului Britanic. În 1997, ministerul culturii franceze i-a acordat titlul de Cavaler al Ordinului Literelor și Artelor. Iar în anul 2017 a primit Ordinul Soarelui Răsare, în cadrul unei recepții organizate de Ambasada Japoniei cu prilejul Zilei Naționale.
A fost președinte al UNITER din anul 1990, director general al Teatrului Lucia Sturdza Bulandra din Bucureşti între 1990 şi 1993, ministru al Culturii între anii 1996 – 2000, preşedinte al Academiei Europene a Balcanilor din 2017, iar începând cu anul 2005, a fost directorul general al Teatrului Național din București.
Ion Caramitru recită poezii scrise de: