Llicenciat en filosofia i lletres per la Universitat de Salamanca, estudià posteriorment a l’Escola Oficial de Cinematografia de Madrid, on obtingué el títol de director el 1961. Promotor de cineclubs i de revistes, fou un dels teòrics de l’anomenat “nou cinema espanyol”. Dins aquest corrent realitzà el seu primer llargmetratge, Nueve cartas a Berta (1966), pel qual guanyà la Concha de Plata al Festival de Sant Sebastià, i Del amor y otras soledades (1969). Després de la prohibició del film documental Canciones para después de una guerra (1971), que no fou estrenat fins el 1976, continuà treballant en la clandestinitat amb altres documentals de muntatge: Queridísimos verdugos (1974) i Caudillo (1975). Després de treballar exclusivament en vídeo realitzà, entre d’altres, Los paraísos perdidos (1985), Madrid (1987), Octavia (2002) i el documental sobre el 15-M Libre te quiero (2011). La seva trajectòria fou reconeguda, entre altres premis, amb l’Espiga de Oro de la Semana Internacional de Cine de Valladolid (2002) i la Medalla d’Or de l’Acadèmia de les Arts i les Ciències Cinematogràfiques d’España (2005), de la qual fou cofundador (1986). L’any 2012 fou creada la Fundación Basilio Martín Patino per a la difusió de la seva obra.