Professor de literatura, es dedicà posteriorment a la crítica cinematogràfica, i formà part del grup que donaria lloc a la Nouvelle Vague. El 1950 fundà amb Jean-Luc Godard, Jacques Rivette i el crític André Bazin Cahiers du Cinéma, del qual fou redactor en cap de 1957 a 1963. Guionista de tots els seus films, després de rodar alguns curtmetratges, el 1959 estrenà el migmetratge Le signe du lion, el primer film d’una certa importància, tot i que la seva obra no aconseguiria notorietat fins a mitjan anys seixanta. Part de la seva producció és organitzada en cicles. Els seus films, meticulosos, austers, irònics i intimistes disseccionen petits drames quotidians, generalment amorosos, en els quals els equívocs i les inseguretats dels personatges juguen un paper central a través de diàlegs molt acurats i trames gairebé anodines. Pertanyent al cicle Six contes moraux (1962-72), destaquen Ma nuit chez Maud (1969, premi Sant Jordi 1970), Le genou de Claire (1970, Concha d’Or del Festival de Sant Sebastià de 1971) i L’amour l’après-midi (1972).
Posteriorment dirigí les Comédies et proverbes, que inclou La Femme de l’aviateur (1980), Pauline à la plage (1983), Les nuits de la pleine lune (1984), Le rayon vert (1986, Lleó d’Or del Festival de Venècia) i L’ami de mon amie (1987), i els Contes des quatre saisons ( Conte de printemps, 1990; em>Conte d’hiver, 1992, premiat al Festival de Berlín; Conte d’été, 1996; Conte d’automne, 1998). Altres films notables són La Collectionneuse (1967, premiat al Festival de Berlím), La marquise d’O. . . (1976, Gran Premi del Jurat del Festival de Canes), Perceval, le Gallois (1978), L’Anglaise et le Duc (2000) i Triple agent (2004), Le canapé rouge (2005) i Les amours d’Astrée et de Céladon (2007).
L’any 2001 rebé un Lleó d’Or honorífic al festival de Venècia. Feu també documentals per a la televisió i, amb Barbet Schroeder, el 1967 fundà Les films du Losange, que produí totes les seves pel·lícules.