Pronto se instala en Madrid e inicia una intensa actividad teatral entrando en el Centro Dramático Nacional, lo que le ayuda a debutar en el cine con la película «La Corea» (Pedro Olea, 1976).
Más adelante viaja a Cuba para interpretar su primer papel protagonista en «Cecilia» (Humberto Solás, 1980). En 1982 trabaja con Pedro Almodóvar y Antonio Banderas en «Laberinto de pasiones», aunque su gran popularidad le llega gracias a la serie televisiva «Anillos de oro» y a la película «Demonios en el jardín», de Manuel Gutiérrez Aragón, que protagoniza junto a Ángela Molina y Ana Belén.
Destaca después su interpretación de un joven sacerdote en «Bearn o La sala de las muñecas», de Jaime Chávarri, un sufrido homosexual en «La muerte de Mikel», de Imanol Uribe y un introvertido científico en «Tiempo de silencio», dirigida por Vicente Aranda, con quien inicia una larga colaboración que le unirá a Victoria Abril en otras dos películas y a la italiana Ornella Muti en «El amante bilingüe» (1993).
Tras varios años vinculado a roles de galán, su consagración definitiva llega en 1987 con «El Lute», díptico también de Aranda, cuya primera entrega le valió la Concha de Plata al mejor actor en el Festival de Cine de San Sebastián. Dos años después, regresa a televisión con «Brigada Central» y lleva «Calígula» de Albert Camus, un montaje de éxito especialmente en Argentina, país que le profesa un afecto recíproco desde su papel de 1984 en «Camila», de María Luisa Bemberg, nominada a los premios Óscar como Mejor película de habla no inglesa en 1985.
Con «Intruso» (1993), última colaboración con Vicente Aranda y Victoria Abril, logra su cuarta candidatura al Goya, perdiendo esta vez frente a Juan Echanove. El reencuentro con Pedro Almodóvar se produce en «La flor de mi secreto» (1995), con un papel secundario que da réplica a Marisa Paredes y, al año siguiente, debuta en la dirección con «Un asunto privado», thriller protagonizado por Pastora Vega y Antonio Valero. En 1997 protagoniza junto a Emma Suárez la serie «Querido maestro», a la que después se sumará Ana Duato, actriz muy ligada a su trayectoria televisiva.
En reconocimiento a su extensa carrera cinematográfica, recibió en 2003 el Premio Málaga otorgado en el marco del Festival de Cine Español de Málaga, e inauguró un monolito en su honor en el Paseo Antonio Banderas de la ciudad andaluza, y en 2014 la Espiga de Honor de la Semana Internacional de cine de Valladolid (Seminci).
En lo personal, Imanol Arias contrajo matrimonio muy joven con la actriz Socorro Anadón, separándose al poco tiempo. Posteriormente se unió a la también actriz Pastora Vega, con quien vivió desde 1984 hasta 2009 y tienen dos hijos en común, Jon y Daniel. Además, es dueño de una empresa que se dedica a la ecología y al medio ambiente, llamada CAYTEC. Siempre ha destacado en sus labores profesionales, pero paralelamente a su carrera encarna acciones de carácter humano y gestos por la paz en el País Vasco, además de ser elegido por UNICEF como embajador especial, o pertenecer a varias ONG, como Intermón OXFAm, Médicos del Mundo, el Grupo Attac o la Fundación Vicente Ferrer. También ha montado su propia productora, Línea Sur.