Salido de un ambiente obrero, se educó hasta los nueve años en el matritense barrio de Vallecas escapándose varias veces de casa y siendo expulsado de ocho colegios. Su hermana escultora dirigía una escuela gratuita para personas con discapacidad intelectual. De su padre, "un socialista culto que murió a los ochenta años ayudando a los demás", sin oficio fijo en la posguerra, dijo: "Era muy buena persona, tan bueno y delicado que estaba despersonalizado y acabaron con él... Era una persona machacada por una guerra en la que luchó en el bando perdedor, y por lo que sucedió después".^[2]​

Desde los tres años quiso ser actor y participó en funciones escolares; siendo aún muy joven ya frecuentaba el gimnasio y hacía yoga.

En 1967, todavía estudiando en la Real Escuela Superior de Arte Dramático (RESAD), participó en El caballo desvanecido, de Françoise Sagan, junto a Amparo Soler Leal, Rosario García Ortega, Verónica Luján, Fernando Rey, Pedro Osinaga, Manuel Galiana y Juan Amézaga. La obra fue dirigida por José Luis Alonso.^[3]​

Después trabajó en la obra Mariana Pineda de Federico García Lorca. Protagonizó Romeo y Julieta junto a María José Goyanes que fue uno de sus primeros éxitos en el Teatro Español. También trabajó en Marat-Sade en la compañía de Adolfo Marsillach.^[3]​ A partir de 1970 compaginaba su actividad teatral con trabajos en cine y televisión; para Estudio 1 protagonizó, entre otras, Los bandidos, de Schiller, junto a Juan Diego y Marisa Paredes.

Intervino en películas como Fuenteovejuna o La muerte del escorpión, alternando papeles protagonistas y secundarios, pero desdeñando siempre los papeles comerciales y pro pane lucrando, ganándose fama de actor desobediente, marginal y descarado.

Despuntó en el séptimo arte a partir de Arrebato (1979), película innovadora de Iván Zulueta donde el poder de absorción de la heroína corre paralelo al poder hipnótico de la imagen. Es una película de carácter vanguardista, tanto en la forma como en su contenido. Se estrenó en el contexto de la movida madrileña y fue un fracaso de crítica y público, pero se convirtió en película de culto poco a poco; permaneciendo en la sombra durante la década de los 90, hasta su reestreno en 2002 y su reedición en DVD.

Eusebio Poncela interpretaba a José Sirgado, un director de cine de treinta y pocos años que acaba de montar su última película. Su adicción a la heroína hace que su perspectiva del mundo real sea distorsionada, como en un sueño. Aunque es serio y de personalidad inestable, su carácter mejora al recibir las grabaciones de Pedro, con el que comparte su pasión por el cine. Más tarde hará también con Zulueta el cortometraje para televisión Párpados junto a Marisa Paredes. En el mismo año de Arrebato protagoniza Operación Ogro, dirigida por Gillo Pontecorvo, polémica por plantear el asesinato del almirante franquista Luis Carrero Blanco por un comando terrorista de ETA.

El gran éxito de popularidad le llegó con su papel de Carlos Deza en la serie Los gozos y las sombras (1982), adaptación de la obra literaria de Gonzalo Torrente Ballester con Charo López, Amparo Rivelles y Carlos Larrañaga en el resto de papeles principales. Anteriormente había participado en Curro Jiménez y más tarde, también para TVE, protagonizó Las aventuras de Pepe Carvalho, serie inspirada en las novelas policíacas de Manuel Vázquez Montalbán.

Matador realizada en 1986, producida por Andrés Vicente Gómez bajo la dirección de Pedro Almodóvar contó con las actuaciones de Eusebio Poncela como el comisario, Assumpta Serna, Antonio Banderas y Nacho Martínez. El crítico Fernando Morales del periódico El País dijo que era "Uno de los más característicos y apasionados melodramas de Almodóvar".

La ley del deseo cuenta la historia de Pablo (Eusebio Poncela), un director de cine homosexual que conoce a Antonio (Antonio Banderas) la noche del estreno de una de sus obras, lo que traerá trágicas consecuencias. Una escena conocida, que fue bastante polémica en su momento, es la que muestra a Antonio manteniendo sexo anal con Pablo.

Trabajó con directores como Carlos Saura (El Dorado), Imanol Uribe (El rey pasmado) y destaca en El arreglo o en Diario de invierno. En 1986 trabajó con Pilar Miró (Werther). Por entonces dejó su adicción a la heroína, que sufrió durante treinta años y combatió expatriándose a Argentina.^[4]​

Durante un tiempo desapareció de la escena española y se trasladó a Ushuaia (Argentina), la ciudad más austral del mundo, donde se desenganchó; viajó luego por la Patagonia y por la provincia de La Rioja junto a los Andes. Se instaló una temporada en casa de sus amigos Cecilia Roth y Fito Páez y recibió la llamada de Adolfo Aristarain para interpretar a Dante en Martín (Hache), cosechando excelentes críticas. Hizo allí una exposición de sus pinturas. En 1993 participó como protagonista en el videoclip Matador de la banda de rock argentina Los Fabulosos Cadillacs.

En 2001 compartió protagonismo con Ángela Molina en Sagitario, debut en la dirección de Vicente Molina Foix e intervino en la miniserie Viento del pueblo, biografía de Miguel Hernández a quien dio vida Liberto Rabal. Otras películas son Tuno negro, Remake, Los Borgia o Teresa, el cuerpo de Cristo.

Prosiguió su carrera en teatro, y participó en coproducciones como Intacto, junto a Max von Sydow, por la que fue candidato al Premio Goya como mejor actor,^[5]​ o la argentina Hermanas, de Julia Solomonoff, que revisa el antes y el después de la dictadura militar.

En 2004 recibió el Premio Nacional de Cinematografía Nacho Martínez que cada año otorga el Festival Internacional de Cine de Gijón.

En 2015 en la serie Carlos, Rey Emperador interpretó al cardenal Cisneros, papel que interpretó anteriormente en la serie Isabel.^[6]​ Ese mismo año apareció también como Cisneros en un capítulo de la primera temporada de El Ministerio del Tiempo.^[5]​

En 2025 participó en la serie Matices.

Eusebio Poncela falleció el miércoles 27 de agosto de 2025, a los 79 años en su casa de El Escorial, dejándonos unas 50 películas, más de una veintena de obras de teatro y 25 series de televisión. Padecía cáncer ^[7]​ desde hacía un año antes, enfermedad mortal que siempre mantuvo en la intimidad, como su vida personal.