După ce a studiat comunicarea la Universitatea Catolică Andrés Bello, Ramírez a lucrat în mass-media și a luat în considerare o carieră de diplomat. Când cineastul Guillermo Arriaga a lăudat un scurtmetraj pe care l-a realizat, a decis să își transforme hobby-ul de actorie într-o carieră.
Ramírez a jucat un asasin al CIA în filmul de acțiune-thriller The Bourne Ultimatum (2007). Interpretarea sa a lui Carlos, Jackalul, în miniseria biografică de televiziune din 2010, Carlos, i-a adus Premiul César pentru Cel Mai Promițător Actor și nominalizări la un Glob de Aur și la Premiile Emmy pentru Cel Mai Bun Actor. Apoi, a jucat un agent CIA în Zero Dark Thirty (2012) și pe boxerul Roberto Durán în filmul biografic sportiv Hands of Stone (2016).
Ramírez a primit mai multe premii pentru interpretarea sa a lui Gianni Versace în miniseria din 2018 The Assassination of Gianni Versace: American Crime Story. În 2020, a avut un rol recurent în miniseria HBO The Undoing. În 2022, Ramírez a făcut parte din juriul Un Certain Regard la Festivalul de Film de la Cannes.