A l’inici i durant bona part de la seva trajectòria feu un cinema de denúncia, criticà la moral, els costums i la religiositat anquilosats i tradicionals de la burgesia espanyola. Realitzà, entre altres pel·lícules, Los golfos (1965, premiada al Festival de Berlín), El jardín de las delicias (1970), La prima Angélica (1973, premi Especial del Jurat del Festival de Canes 1974), Cría cuervos (1975, premi Especial del Jurat del Festival de Canes 1976), Elisa, vida mía (1977), Los ojos vendados (1978), Mamá cumple cien años (1979, premi Especial del Jurat del Festival de Sant Sebastià), i Deprisa, deprisa (1980, premiada amb l’Os d’Or al Festival de Berlín). Posteriorment diversificà la temàtica dels seus films, que inclouen sobretot recreacions històriques, adaptacions d’òperes, musicals i motius hispànics: Bodas de sangre (1981), Carmen (1983, premi del Jurat de Canes), El amor brujo (1986), El Dorado (1988), La noche oscura (1989), ¡Ay, Carmela! (1990, guanyadora de tretze premis Goya, entre els quals a la millor pel·lícula i al millor director), Sevillanas (1991), El sur (1991), Dispara (1993), Taxi (1996), Tango (1998), Goya en Burdeos (1999, premi Sant Jordi de cinematografia 2000), Buñuel y la mesa del rey Salomón (2001), Salomé (2002), El séptimo día (2004), el musical Iberia (2005), Fados (2007), Io, Don Giovanni (2009), Flamenco flamenco (2010), Zonda, folclore argentino (2015), Jota de Saura (2016), Renzo Piano, an Architect for Santander (2018), El rey de todo el mundo (2021), 33 días (2022) i Las paredes hablan (2022). El 2010 presentà l’espectacle Flamenco hoy.
També és autor de les novel·les Pajarico solitario (1997), ¡Esa luz! (1998), Elisa, vida mía (2004) i Ausencias (2017), de guions i llibres sobre fotografia com El Rastro (2003), Flamenco (2004), Las fotografías pintadas de Carlos Saura (2005), Saura x Saura (2009), España años 50 (2016) i Photobolsillo (2018).
Rebé premis a la trajectòria de l’Acadèmia de les Arts i les Ciències Cinematogràfiques d’Espanya (1992, Medalla d’Or), de l’Acadèmia del Cinema Europeu (2004), del Festival de Sant Sebastià (Concha d’Or honorífica, 2007) i del Festival de Valladolid (2009, Espiga d’Or). L’any 2023 fou guardonat amb el premi Goya d’honor a la seva trajectòria.