Format al Centro Universitario de Estudios Cinematográficos de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), s’inicià els anys vuitanta amb diversos curtmetratges, i posteriorment en sèries de televisió. Debutà el 1991 amb el llargmetratge Sólo con tu pareja, que obtingué reconeixement internacional. Passà aleshores al cinema nord-americà amb A Little Princess (1995) i Great Expectations (1998), i retornà al cinema mexicà amb Y tu mamá también (2001). Posteriorment rodà Harry Potter and the Prisoner of Azkaban (2004), Children of Men (2006) i Gravity (2013), guardonada amb set premis Oscar l’any 2014, entre els quals el de millor director. El 2018 estrenà Roma, que rebé el premi a la millor pel·lícula del Festival de Venècia i l’Oscar al millor director el 2019.
Molts dels guions de les seves pel·lícules són escrits conjuntament amb el seu germà Carlos Cuarón Orozco (Ciutat de Mèxic, 2 d’octubre de 1966), director de Rudo y Cursi (2008) i Besos de azúcar (2013).