Nascut a França, retornà a Polònia amb la seva família d’origen jueu el 1936. Arran de la invasió nazi, els seus pares foren enviats a camps de concentració (als quals només el pare sobrevisqué), mentre que ell escapà del gueto de Cracòvia i portà fins al final de la guerra una existència de vagabund. Malgrat iniciar estudis en una escola tècnica després del 1945, aviat es decantà pel cinema. Actuà en algunes pel·lícules i, a mitjan anys cinquanta, ingressà a l’escola de cinematografia de Łodz. S’inicià en el curtmetratge, on mostrà la ironia i el sentit de l’absurd presents en bona part de la seva obra. El seu primer llargmetratge fou Nóż w wodzie (‘El coltell a l’aigua’, 1962), que fou nominat a l’Oscar com a millor pel·lícula estrangera. Poc després abandonà Polònia i anà primer a França i després a la Gran Bretanya, on rodà Repulsion (1965), Cul-de-sac (1966, Os d’Or al Festival de Berlín) i The Fearless Vampire Killers (1967). Establert a Hollywood el 1968, aquest any hi rodà Rosemary’s Baby (1968), film del gènere fantàstic i de terror que li donà una gran projecció. Després de l’assassinat de la seva muller, Sharon Tate, a mans de la secta de Charles Manson, (1969) tornà a Europa, on estrenà Macbeth (1971) i Che? (1972).
Novament als Estats Units, amb Chinatown (1974, guanyadora d’un Globus d’Or) aconseguí un gran èxit. El 1977 fou acusat de violació d’una menor de 13 anys. La vigília de ser condemnat per aquest delicte, que reconegué haver comès, el febrer del 1978 fugí a Europa, on ha viscut des d’aleshores, reclamat per la justícia dels Estats Units. Els seus films següents foren Le Locataire (1976), Tess (1979, premi César al millor director 1980), Pirates (1986), Frantic (1988), Bitter Moon (1992), Death and the Maiden (1994) i The Ninth Gate (1999). Amb The Pianist, de caràcter semiautobiogràfic, fou guardonat amb la Palma d’Or del Festival de Cinema de Canes i amb l’Oscar, un premi BAFTA i un premi César a la millor direcció (2002). Posteriorment dirigí Oliver Twist (2005); To Each His Own Cinema (2007); The Ghost Writer (2010), pel qual obtingué sis guardons, entre els quals un Os de Plata al Festival de Berlín, dos César al millor director i guionista i el de millor director, dels premis Cinema Europeu; Carnage (2011); La Vénus à la fourrure (2013, premi César a la millor direcció); D’après une histoire vraie (2017), i J’accuse (2019), una recreació del cas Dreyfus que obtingué tres premis al Festival de Venècia, un dels quals el Gran Premi del Jurat. El 1991 presidí el jurat de Canes i el 1993 guanyà un Lleó d’Or del Festival de Venècia a la trajectòria. Membre de l’Acadèmia de Hollywood des del 1969, l’any 2018 en fou expulsat per infringir-ne les normes de conducta amb relació a la seva condemna per violació d’una menor del 1977. A causa d’aquesta acusació, el febrer del 2020, la concessió del premi César al millor director per J’accuse estigué marcada per una polèmica de repercussió considerable.