El 1948 emigrà a l’illa de Cuba, on la seva família s’havia establert en acabar la Guerra Civil. A l’Havana es doctorà en filosofia i lletres (1955), amb la tesi Fonética del español hablado en Cuba. Treballà a l’ICAIC (Instituto Cubano de Arte e Industria Cinematográficos), on fou director de fotografia i realitzador de documentals pel cinema i la televisió cubans. A més de crític cinematogràfic, fou cofundador del primer cineclub del país, l’any 1951, i posteriorment de la Cinemateca de Cuba. Estudià cinema al City College de Nova York (1955-1956) amb Hans Richter i al Centro Sperimentale di Cinematografia de Roma (1956-1957). De 1957 a 1959 treballà a Middlebury (Vermont) i a Poughkeepsie (Nova York) com a professor de llengua i literatura espanyola. Durant la revolució castrista retornà a Cuba.
L’any 1962 s’establí a França, on realitza més de vint reportatges i documentals educatius per la televisió francesa entre 1965 i 1968. Introduït a la indústria del cinema, il·luminà nombrosos films de cineastes capdavanters de la Nouvelle Vague (François Truffaut, Jean Eustache, Éric Rohmer, Barbet Schroeder), i aviat fou considerat un dels directors de fotografia més innovadors del moment. Realitzà la fotografia de La Collectionneuse (E. Rohmer, 1966), More (B. Schroeder, 1968), L’Enfant sauvage (F. Truffaut, 1969), Ma nuit chez Maud (E. Rohmer, 1969), Le Genou de Claire (E. Rohmer, 1970), Deux anglaises et le continent (F. Truffaut, 1971), General Idi Amin Dada (B. Schroeder, 1974), La historia de Adèle H. (F. Truffaut, 1975), La Marquise d’O (E. Rohmer, 1976), La Chambre verte (F. Truffaut, 1977), Le dernier métro (F. Truffaut, 1980), Pauline à la Plage (E. Rohmer, 1983).
A partir de la segona meitat dels setanta treballà també als EUA; d’aquesta etapa cal esmentar Days of Heaven (T. Malick, 1977) per la qual rebé l’Oscar a la millor fotografia el 1979, Kramer versus Kramer (R. Benton, 1978), Shopie’s choice (A.J. Pakula, 1982), Heartburn (M. Nichols, 1986), New York Stories (F.F. Coppola, M. Scorsese i W. Allen, 1989) i Billy Bathgate (R. Benton, 1991), entre d’altres.
Com a realitzador i operador alhora són destacables els llargmetratges documentals, Mauvaise conduite (1984), amb Orlando Jiménez Leal, i Nadie escuchaba (1986-1987), amb Jorge Ulloa; tots són documentals de denúncia de la Cuba castrista. També és autor del llibre Un homme à la caméra (1982) sobre els seus coneixements teòrics i pràctics com a operador i cineasta. És considerat un dels directors de fotografia més importants del cinema modern per les seves aportacions en el tractament que de la llum, i l’estudi de la fotogènia dels intèrprets i els ambients interiors.