Figlio d'arte, grazie al padre Giacomo Rossi Stuart, esordisce sul grande schermo a soli cinque anni in Fatti di gente perbene, per la regia di Mauro Bolognini. Dopo aver partecipato, con una piccola parte, al film Il nome della rosa (1986), con Sean Connery, nel 1987 viene scelto per interpretare Anthony Scott in Il ragazzo dal kimono d'oro, che avrà un sequel l'anno dopo. Kim raggiunge però il grande successo popolare nella serie tv Fantaghirò di Lamberto Bava, con Alessandra Martinez.
Nel 1994 riscuote apprezzamenti con Senza pelle di Alessandro D'Alatri e Cuore Cattivo di Umberto Marino e nel 1995 è la volta di Al di là delle nuvole, diretto da Michelangelo Antonioni e Wim Wenders. Dopo aver girato Poliziotti (1995) di Giulio Base e I giardini dell'Eden (1998) di Alessandro D'Alatri, viene scelto da Roberto Benigni per la parte di Lucignolo in Pinocchio.
La consacrazione arriva però con Le chiavi di casa di Gianni Amelio, che vince un Nastro d'Argento e con Romanzo Criminale (2005), film di Michele Placido, che prende spunto dalla storia della Banda della Magliana. Romanzo criminale è presentato al Festival di Berlino, dove ottiene ampi consensi. Nel film è il Freddo, uno dei capi della banda che si innamora di una ragazza perbene, interpretata da Jasmine Trinca.
In teatro ha debuttato nel 1987 al Piccolo Teatro di Milano nel Filottete di Andrè Gide, regia di Walter Pagliaro, successivamente lo ricordiamo soprattutto in ruoli scespiriani: é stato Edmund nel Re Lear (1994), con la regia di Luca Ronconi , poi protagonista di un fortunatissimo Amleto (1998) - (1999), con la regia di Antonio Calenda e di Macbeth (2000), sotto la guida di Giancarlo Cobelli.
Il 17 ottobre 2005 a Roma è vittima di un grave incidente motociclistico, dal quale si ristabilisce dopo pochi mesi.
Esordisce alla regia nel 2006 con il film Anche libero va bene, che è accolto fra gli applausi al Festival di Cannes. Alla fine del 2006 gira il film Il disco del mondo:piano, solo, regia di Riccardo Milani, tratto dal libro di Walter Veltroni Il disco del mondo - Vita breve di Luca Flores, musicista.