Regista, sceneggiatore e produttore, di famiglia alto borghese, si affianca alla corrente della Nouvelle Vague francese, ma non entra esplicitamente a fare parte. Negli anni Cinquanta, insieme all'esploratore oceanografico Jacques Costeau, vince la Pama d'oro a Cannes per il miglior documentario con Il mondo del silenzio. Nel 1956 è aiuto regista di Bresson per Un condannato a morte è fuggito e l'anno successivo, a soli venticinque anni, esordisce alla regia con Ascensore per il patibolo (Ascenseur pour l'échafaud, 1957), raffinato noir con Jeanne Moreau e Maurice Ronet, impreziosito dalla colonna sonora jazz di Miles Davis. Fortemente antiborghese, nonostante le proprie origini, ottiene subito notevoli riconoscimenti da parte della critica. Con Les Amants (1958) e con Fuoco fatuo (Le feu follet, 1963) si aggiudica il Gran Premio della Giuria ala Mostra del Cinema di Venezia. Nel 1968 gira, insieme a Roger Vadim e Federico Fellini, il film a episodi Tre passi nel delirio, ispirato ai racconti di Edgar Allan Poe. Negli anni Ottanta, trionfa a Venezia con Atlantic City, USA (1980) e con Arrivederci ragazzi (1987). Tra le opere successive, sono da segnalare Il danno (Damage, 1992), dramma erotico con Jeremy Irons e Juliette Binoche, e Vanya sulla 42esima strada (Vanya on 42nd Street, 1994), suo ultimo film.