Il est le fils unique d'un père d'origine bulgare, Eddie Vartan, et d'une mère polonaise, émigrée aux États-Unis qui divorcent alors qu'il n'a que 5 ans. Il est le neveu de la chanteuse Sylvie Vartan.
Il est élevé avec son cousin germain, David Hallyday (fils de Sylvie Vartan). Il passe son enfance entre la France (auprès de son père, compositeur et chef d'orchestre) et les États-Unis (auprès de sa mère, artiste peintre). À 15 ans il voit naître son demi-frère Nicolas Vartan.
À 18 ans, il s'installe définitivement aux États-Unis afin d'échapper au service militaire français, alors obligatoire. Sur les conseils de ses amis, il s'inscrit dans un cours de comédie.
En 2001, il devient célèbre à la télévision grâce à son rôle de l'agent de la CIA Michael Vaughn dans la série Alias. Après la fin de la série, il a essayé de revenir au cinéma entre film d'indépendant Photo Obsession et comédie grand public Sa mère ou moi !, mais sans grand succès et en 2007, il revient à la télévision dans la série Big Shots qui n' a duré qu'une saison de 11 épisodes.
