
Frédéric Diefenthal suit les cours de Dominique Viriot et apparaît pour la première fois au cinéma en 1990 dans deux courts métrages : Voyage d’un jour et Max le voyou. Claude Zidi lui offre ensuite son premier rôle dans La Totale avec Thierry Lhermitte, Miou-Miou, Eddy Mitchell et Michel Boujenah. En 1993, Laurence Ferreira-Barbosa l’engage pour Les Gens normaux n’ont rien d’exceptionnel. En 1994, Henri-Paul Korchia fait appel à lui pour Une histoire d’amour à la con avec Jacques Gamblin.
Il tient ensuite le rôle principal de Douce France de Malik Chibane et participe à Capitaine Conan de Bertrand Tavernier avec Philippe Torreton et Samuel Le Bihan. Frédéric Diefenthal continue de s’investir pour le court métrage en tournant en 1993 Parlez après le signal sonore de Olivier Jahan. En 1996, il se lance dans la production avec Le Marchand de sable de Nicolas Kortezky, suivi en 2001 du Nouveau big-bang du même réalisateur.
En 1998, son rôle d’Émilien dans la saga à succès des Taxi fait de lui un des comédiens les plus populaires auprès du public aux côtés de Samy Nacéri, Marion Cotillard et Bernard Farcy. Dans l’intervalle, il multiplie les rôles comme dans Je veux tout de Guila Braoudé avec Elsa Zylberstein ou Six-pack, un polar signé Alain Berbérian avec Chiara Mastroianni et Richard Anconina. En 2001, il est à l’affiche de Jeu de cons de Jean-Michel Verner avec Anthony Delon, puis Belphégor, le fantôme du Louvre de Jean-Paul Salomé avec Sophie Marceau, Michel Serrault et Julie Christie. Il présente également à Cannes Les Âmes fortes de Raoul Ruiz avec Laëtitia Casta, Arielle Dombasle et John Malkovich, d’après l’œuvre de Jean Giono. L’année suivante, il est au cœur d’Une affaire privée suivie par Guillaume Nicloux aux côtés de Thierry Lhermitte, Marion Cotillard et Aurore Clément. Après Dédales de René Manzor avec Lambert Wilson et Sylvie Testud, il enchaîne avec L’Incruste sous la direction de Corentin Julius et Alexandre Castagnetti avec Titoff, Zoé Félix et Agnès Soral, puis Nos amis les flics de Bob Swain, entouré notamment d’Armelle Deutsch, Lórant Deutsch, Daniel Auteuil, Atmen Kélif, François Levantal et Christophe Alévêque. Sur les écrans dans Le Souffleur de Guillaume Pixie avec Linda Hardy, Frédéric Diefenthal retrouve en 2005 Olivier Sitruk et Emilie Dequenne dans le film choral Avant qu’il ne soit trop tard de Laurent Dussaux. La même année, il prête sa voix à un des personnages du Roman de Renart de Thierry Schiel aux côtés de Lórant Deutsch et co-produit Voisins, Voisines de Malik Chibane avec Anémone et Jackie Berroyer dans lequel il joue également. Très présent sur grand écran, Frédéric Diefenthal ne délaisse pas pour autant les planches. Il joue dans une adaptation de Roméo et Juliette mise en scène par Jean-Luc Borg (1996) et Bagatelle(s) au Théâtre de Paris dirigé par Pierre Mondy. De 2006 à 2008, il triomphe dans la pièce L’Importance d’être Constant à Paris et en tournée. Parallèlement, Frédéric Diefenthal tourne pour la télévision qui lui offre une opportunité de défendre de très beaux rôles de flics qu’il compose avec nuances dans David Nolande ou la série Flics. Dernièrement, il fait un retour flamboyant grâce à la nouvelle adaptation de Cartouche avant d’endosser un personnage historique dans Chateaubriand.