El 1943 s’incorporà a l’Institut des Hautes Études Cinématographiques (IDHEC), que abandonà el 1945 per a iniciar-se com a realitzador de curtmetratges i documentals, entre els quals cal esmentar Van Gogh (1948, premiat a Venècia), Gauguin (1950), Guernica (1950), Nuit et brouillard (1955), Toute la mémoire du monde (1956), etc. Incorporat a laNouvelle Vague, l’any 1959 dirigí el seu primer llargmetratge de ficció, Hiroshima mon amour, mescla de ficció, documental i literatura, en col·laboració amb la novel·lista Marguerite Duras, que féu que hom el considerés el creador d’un cinema-literatura, fórmula que continuà amb altres escriptors: Alain Robbe-Grillet (L’année dernière à Marienbad, 1960, premiada amb el Lleó d'Or al festival de Venècia), Jean Cayrol (Muriel ou le temps d’un retour, 1963), Jorge Semprún (La guerre est finie, 1966) i Jacques Sternberg (Je t'aime, je t'aime, 1968).
Altres films seus són: Loin du Vietnam (1967), L’an 01 (1973), Stavisky (1974), Providence (1977, premiada amb un César al millor film i a la millor direcció), Mon oncle d’Amérique (1980, premiada amb el Grand Prix al festival de Canes i premi Sant Jordi 1980 a la millor pel·lícula estrangera), La vie est un roman (1983), Melo (1986), I Want to Go Home (1989), Gershwin (1992), Smoking/No Smoking (1993, premis César a la millor pel·lícula i a la millor direcció), On connaît la chanson (1998, premi César a la millor pel·lícula), Pas sur la bouche (2003), Coeurs (2006, Lleó d’Argent al festival de Venècia), Les herbes folles (2009), Vous n'avez encore rien vu (2012) i Aimer, boire et chanter (2014, guardonat amb dos premis al festival de Berlín). L’any 2009 rebé a Canes un premi especial al conjunt de la seva obra.