Estudiant d’Arquitectura a l’Escola Nacional de Belles Arts, inicià la carrera a l’estudi de Lucio Costa, el qual succeí en la direcció de la construcció del Ministeri d’Educació a Rio de Janeiro (1937-45) i amb qui col·laborà en el pavelló brasiler a l’Exposició Internacional de Nova York (1939). La seva primera obra personal fou una guarderia a Rio de Janeiro (1937), que denota la influència de Le Corbusier. El president brasiler Juscelino Kubitschek li encarregà les seves grans realitzacions: un conjunt d’edificis vora el llac Pampulha (1942) i, sobretot, els edificis representatius i públics de Brasília (1956-61). Superant l’arquitectura barroca colonial amb dissenys simples, curvilinis i amplis que integraven pintura i escultura, situà el Brasil al capdavant del moviment modern.
Arran de la dictadura militar (1964) visqué a l’exili, i a Israel fou l’autor dels plànols de la Universitat de Haifa (1966) i del projecte d’una ciutat al Nègueb. També treballà a França, on entre altres obres construí la seu del partit comunista (1980), ideologia de la qual fou partidari (presidí el Partit Comunista delBrasil entre el 1992 i el 1996). De la seva obra posterior a la tornada al Brasil (1985), destaca el Museu d’Art Contemporani de Niterói.
Entre altres guardons, rebé el premi Lenin dela pau (1963), el premi Pritzker (1988) i el Príncipe de Asturias de les arts (1989). Els conjunts arquitectònics de Brasília i Pampulha foren declarats patrimoni culturals de la humanitat el 1987 i el 2016, respectivament.