Es un joven actor muy prometedor que estudió en la Escuela de Arte Teatral de Moscú, en Rusia, donde también jugó al béisbol en la Federación Europea de Béisbol Profesional. Estando en Moscú, Bernthal atrajo la atención del director del Instituto de Formación Teatral Avanzada de la Universidad de Harvard, que le invitó a cursar un Máster en Bellas Artes en dicha universidad, donde se graduó en 2002.

Oliver Stone eligió a Bernthal para el papel de Christopher Amoroso en World Trade Center. Bernthal también protagonizó la película independiente Day Zero e intervino en Cuatro Vidas.