Nació en el barrio madrileño de Carabanchel. Se licenció en Bellas Artes en la Universidad Complutense de Madrid. Comenzó escribiendo guiones de películas pornográficas y participó en concursos televisivos como No te rías que es peor, Locos por la tele y El huevo de Colón. De este modo, reunió algún dinero para rodar sus primeros cortometrajes: Relatos de la media noche (1989), Evilio (1992), Perturbado (1993), por el que obtuvo el Premio Goya a Mejor Cortometraje de Ficción y Evilio vuelve, El Purificador (1994).

El largometraje que le dio a conocer como actor fue El día de la bestia (1995), de Álex de la Iglesia. Por su interpretación en esta película, obtuvo el Premio Goya al Actor Revelación. Dos años antes ya había trabajado como actor en otro filme de Álex de la Iglesia: Acción Mutante (1993).

Otras de sus interpretaciones más destacadas son Two much (1995) y La niña de tus ojos (1998), de Fernando Trueba y París Tombuctú (1999), de Luis García Berlanga.

En 1994 creó su propia productora: Amiguetes Entertainment, que ha financiado sus tres largometrajes además de otros proyectos como Asesino en serio (2002), del cineasta mexicano Antonio Urrutia.

En 1998, escribió, dirigió y protagonizó su primera película, Torrente, el brazo tonto de la ley, galardonada con dos Goya, uno de ellos a la Mejor Dirección novel. La afluencia de público a los cines para ver el filme fue propiciada por una gran campaña publicitaria. En 2001 dirigió la secuela Torrente 2, misión en Marbella, que batió el récord de taquilla con respecto a la primera parte aunque la crítica no fue favorable. En 2005 Segura rodó una tercera entrega del policía marbellí hincha del Atlético de Madrid: Torrente 3, el Protector (2005), otro éxito comercial que tampoco ha obtenido premios.