Estudià ciències de la comunicació a la Universidad Iberoamericana. S’inicià professionalment el 1984 com a discjòquei en un programa de ràdio, i els anys 1986-88 compongué les bandes sonores d’alguns films mexicans. Els anys noranta treballà per al canal televisiu mexicà Televisa. Posteriorment fundà la productora Zeta i començà també a estudiar cinematografia i teatre als EUA.
El 1995 rodà el telefilm Detrás del dinero, al qual seguí El timbre (1996). Amb el drama Amores perros (2000), premiat al Festival de Cinema Llatinoamericà de Lleida i seleccionat per a la candidatura a l’Oscar, aconseguí projecció internacional, que consolidà amb la participació en el film col·lectiu 11'09'01 - September 11 (2002) i posteriorment en 21 Grams (2003), Babel (2006), amb el qual guanyà el premi al millor director a Canes, el premi David de Donatello i el premi Sant Jordi a la millor pel·lícula estrangera, i Biutiful (2010), rodat a Barcelona.
El 2014 estrenà Birdman, film amb el qual el 2015 guanyà el Globus d’Or al millor guió i al millor director, i l’Oscar a la millor pel·lícula, al millor director i al millor guió (compartit amb tres guionistes més). El 2016 tornà a guanyar l’Oscar al millor director amb The Revenant (2015). Fou nomenat president del jurat del Festival de Canes del 2019.