Es graduà en teatre a la Universitat Hofstra el 1960, i posteriorment obtingué un màster en direcció cinematogràfica per la Universitat de Los Angeles (UCLA). Col·laborà inicialment amb Roger Corman en diversos films de baix pressupost. Participà també en la creació de guions cinematogràfics, entre els quals cal esmentar Patton (1971, dirigida per F.J. Schaffner i pel qual obtingué l’Oscar al millor guió). Com a director, s’inicià amb Dementia 13 (1963), un film de terror de baix cost. Seguiren You're a Big Boy Now (1966), el musical Finian's Rainbow (1968) i The Rain People (1969). El 1973 aconseguí un gran èxit amb l’adaptació de la novel·la de M. Puzo, The Godfather (1972), que amb la segona part The Godfather II (1974, Òscar al millor director) forma un gran fresc sobre la comunitat italoamericana i el crim organitzat als EUA, a les quals el 1990 afegí una tercera part The Godfather III. El 1974 rodà The Conversation, film d’espionatge guardonat amb la Palma d’Or de Canes, i el 1979 una altra fita de la cinematografia, Apocalypse Now, versió molt lliure de la narració de J. Conrad, Heart of Darkness, situada a la guerra del Vietnam, i que aconseguí nombrosos premis, entre els quals la Palma d’Or al millor film i un Globus d’Or, un BAFTA i un David de Donatello al millor director. Posteriorment dirigí, entre altres, el musical One from the Heart (1982), els drames The Outsiders (1983) i Rumble Fish (1983), The Cotton Club (1984), ambientada en el món del jazz dels anys trenta, la comèdia Peggy Sue Got Married (1986), Gardens of Stone (1987), la biografia Tucker: The Man and His Dream (1988), una versió de Dracula (1992), les comèdies fantàstiques Jack (1996), The Rainmaker (1997), Youth Without Youth (2007) i Tetro (2009). Amb Twixt (2011) experimentà per primer cop amb el sistema 3D. És també guionista i productor, i el 1997 fundà la revista literària Zoetrope All -Story. L’any 2010 rebé un Oscar honorífic i el 2015 el premi Princesa de Asturias de les arts.