Curtmetratges com Doña Lupe (1985) i Geometría (1987) ja evidenciaven la seva predilecció pel gènere terrorífic i fantàstic, en el qual enquadrà el seu primer llargmetratge, el celebrat Cronos (1993). El seu èxit li obrí les portes de Hollywood, on, sempre dins el gènere fantàstic, ha dirigit Mimic (1997), Blade II (2002), Hellboy (2004) i la seva seqüela Hellboy II: The Golden Army (2008), pel·lícules caracteritzades per una estètica fosca i carregada. A l’Estat espanyol rodà El espinazo del diablo (2001), una història de fantasmes ambientada a la Guerra Civil Espanyola, amb producció de Pedro Almodóvar. El laberinto del fauno (2006) li valgué tres premis Oscar el 2007: a la millor direcció artística, a la millor fotografia i al millor maquillatge (atorgat als catalans David Martí i Montse Ribé).
Continuà la seva trajectòria amb Pacific Rim (2013), Crimson Peak (2015) i The Shape of Water (2017), que el 2018 obtingué quatre Oscar (pel·lícula, director, banda sonora i direcció artística), Nightmare Alley (2021) i Guillermo del Toro’s Pinocchio (2022), guanyadora de l’Oscar a la millor pel·lícula d’animació el 2023.