Llicenciat en literatura hispànica, debutà com a director de llargmetratges amb Crespià, the film not the village (2003), que no s’estrenà comercialment. La seva segona pel·lícula, Honor de cavalleria (2006), una reinterpretació del Quixot, guanyà premis als festivals de Venècia i Torí, i donà a conèixer el seu personal estil de cinema contemplatiu amb elaborats plans rodats en blanc i negre. El cant dels ocells (2006), una història sobre els Reis Mags, guanyà el premi Gaudí al millor director. Posteriorment, rodà El senyor ha fet en mi meravelles (2011), inèdita en sales comercials, sorgida de la iniciativa de correspondències fílmiques amb el cineasta argentí Lisandro Alonso pel Centre de Cultura Contemporània de Barcelona (CCCB).
L’abril del 2013 el Centre Pompidou oferí una retrospectiva de la seva obra, durant la qual presentà Els tres porquets, pel·lícula de 101 hores rodada a la Documenta de Kassel a partir de textos de Goethe, Hitler i Fassbinder. Aquest mateix any presentà al Festival de Locarno Història de la meva mort, una adaptació del mite de Casanova i Dràcula. El maig del 2015 exhibí al pavelló català de la Biennal de Venècia La singularitat, un projecte cinematogràfic de 12 hores de durada visualitzat simultàniament en diverses pantalles, amb el qual pretén reflectir la dissolució de les relacions humanes que comporta el capitalisme del segle XXI. El 2016 presentà al Festival de Canes el film La mort de Lluís XIV, relat sobre els darrers dies d’aquest monarca francès, que fou guardonat amb el premi Jean Vigo. A partir d’aquest film, el 2017 donà a conèixer la instal·lació Roi Soleil, que l’any següent obtingué el Gran Premi del Festival de Marsella. El febrer del 2018 estrenà al Volksbühne de Berlín l’obra teatral Liberté, situada en un segle XVIII utòpic. Estrenada l’any següent, la versió cinematogràfica guanyà el Premi Especial del Jurat de la secció Un certain regard del Festival de Canes. El febrer de l’any 2019 feu una instal·lació sobre l’instint sexual al Museo Reina Sofía: Personalien. L’any 2022 estrenà la pel·lícula Pacifiction, guardonada als premis Louis Delluc com a millor pel·lícula de l’any (2022) i amb els premis Gaudí a la millor direcció artística i a la millor direcció de fotografia (2023).
També ha escrit i dirigit teatre (Pulgasari, 2010) i televisió (Els noms de Crist, 2011). L’any 2017 rebé el Premi Nacional de Cultura del CoNCA.