Narodil se v Tel Avivu francouzsko-alžírským židovským rodičům a vyrostl na okraji Paříže. Jeho herecký debut přišel ve filmu Láska bez lítosti, který mu vynesl Césara pro nejslibnějšího herce. Jeho prvním celovečerním filmem jakožto režiséra byl snímek Má žena je herečka, kde si zahrál po boku své skutečné partnerky Charlotte Gainsbourgové.

Jeho dlouholetou partnerkou je francouzská herečka a zpěvačka Charlotte Gainsbourgová, se kterou se setkal při natáčení filmu Aux yeux du monde z roku 1991. Gainsbourgová a Attal nejsou manželé. Gainsbourgová se nechala slyšet, že se nechce vdávat, protože její rodiče se také nikdy nevzali. Attal Gainsbourgovou veřejně požádal o ruku dne 19. června 2013 během slavnostního události, když obdržel francouzský národní řád za zásluhy. V dubnu 2014 Attal potvrdil, že se stále nechtějí vzít.

Attal má s Gainsbourgovou tři děti: syna Bena (* 1997) a dcery Alice (* 2002) a Joe (* 2011). V roce 2014 se po smrti sestry Gainsbourgové, fotografky Kate Barry, Attal a jeho rodina přestěhovali do New Yorku.