Per mitjà dels seus pares, professionals de la indústria cinematogràfica, entrà en contacte amb el cinema i es familiaritzà amb les tècniques de filmació i d’il·luminació. Durant la guerra de Corea fou destinat a un equip de filmació per a la instrucció de pilots de l’aviació. En tornar a Nova York, treballà per a la televisió en documentals i publicitat. Debutà en el cinema el 1970 i es convertí en un dels directors de fotografia més sol·licitats. El seu treball destacà sobretot a la trilogia The Godfather (1972, 1974 i 1990), en què introduí la imatge dels rostres en penombra, i en diversos films de Woody Allen (Annie Hall, 1977; Interiors, 1978; Manhattan, 1979; Zelig, 1983) i d’Alan J. Pakula (Klute, 1971; Comes a Horesman, 1978), diversos dels quals reberen un total de dinou premis Oscar. Bé que fou nominat dos cops, no fou fins el 2010 que rebé un Oscar a la trajectòria.