El 1959, amb només divuit anys, estrenà el seu primer curtmetratge, La huida. Des del 1960 treballà com a ajudant de direcció i producció a l’Instituto Cubano del Arte y la Industria Cinematográficos (ICAIC), al qual es mantingué vinculat tota la vida. S'inicià com a director amb curts didàctics i el 1962 rodà (en col·laboració) el seu primer curt de ficció, Minerva traduce el mar. Després d’un viatge a Europa que l’influí decisivament (1964), el 1965 dirigí el seu primer film d’autor, Manuela, migmetratge on són ja presents dues de les constants de gran part la seva producció posterior: la dona i la transformació revolucionària de la societat. Amb Lucía (1968) es consolidà com un dels capdavanters de l’anomenat Nou Cinema Llatinoamericà, que té també com a fites destacades Un día de noviembre (1972), Cantata de Chile (1975), l’adaptació del clàssic de la literatura cubana de Cirilo Villaverde Cecilia (1982), durament criticada al país però que es convertí en un dels films cubans més vistos a l’estranger, Amada (1983), Un hombre de éxito (1985, candidata a l’Oscar al millor fim estranger el 1986), El Siglo de las Luces (1992), adaptació en quatre parts de la novel·la homònima d’Alejo Carpentier, Miel para Oshún (2001), Barrio Cuba (2005, guardonat als festivals de Cartagena i de l’Havana) i Adela (2005). El 2003 fundà el Festival Internacional de Cine Pobre a la localitat de Gibara. Formà part del jurat del Festival de Berlín el 1977 i el 1997.