Estudià a l’Escola Superior de Cinema i Audiovisuals de Catalunya (ESCAC) i començà la seva activitat professional amb anuncis de televisió i videoclips. Dirigí també els curtmetratges Mis vacaciones (1999) i El hombre esponja (2002). Amb el seu primer llargmetratge, el film de terror El orfanato (2007), obtingué un premi Goya al millor director novell l’any 2008.
El 2012 estrenà Lo imposible, ambientada en el tsunami del sud-est asiàtic del 2004 i, inscrita en el gènere de pel·lícules de catàstrofes, que aconseguí un gran ressò internacional: fou nominada a l’Oscar 2013 i guanyà cinc premis Goya, un dels quals al millor director. Per la mateixa pel·lícula hom li atorgà el mateix any el Premio Nacional de Cinematografía i el Premi Internacional Terenci Moix. El 2016 estrenà Un monstre em ve a veure, que el 2017 obtingué el premi Gaudí a la millor pel·lícula en llengua no catalana, a més d'altres 6 premis Gaudí i vuit premis Goya, entre els quals al millor director. L'any 2018 estrenà Juràssic World: Fallen Kingdom, cinquè lliurament de la sèrie iniciada el 1993 i produïda per Steven Spielberg. A banda, ha dirigit també els documentals La desgracia en 3D (2008) i 9 días en Haití (2015).