Es uno de los actores más talentosos y famosos de Brasil. Uno de sus últimos trabajos es Redbelt, del escritor y director David Mamet, y las películas de Steven Sodebergh El Argentino y Guerrilla sobre el revolucionario Ernesto "Che" Guevara (Benicio del Toro).

Santoro interpretó a Jerjes, el rey persa que envía a su gran ejercito a conquistar Grecia en el año 480 a.C., en 300, de Zack Snyder, que batió récords de taquilla en todo el mundo. Por ese papel, Rodrigo fue candidato a Mejor Villano de los Premios MTV Movie. Asimismo, intervino en Love Actually junto a Hugh Grant, Emma Thompson, Colin Firth y Liam Neeson e hizo su debut en Hollywood como Randy Emmers en Charlie´s Angels: Full Throttle junto a Cameron Díaz, Drew Barrymore y Lucy Liu.

Por su papel de un joven interno en una institución mental en el film Bicho de sete cabeças, del director Laís Bodanzky, recibió el primer premio al Mejor Actor otorgado por la Academia Brasileña de Artes y Cine.

También fue elogiada su actuación en el film de Miramax Abril despedaçado, dirigido por Walter Salles, que fue nominado al Globo de Oro como Mejor Película Extranjera.