Començà estudis de literatura, però es decantà aviat pel cinema. El 1949 anà a París, on, malgrat ser rebutjat per l’Institut des Hautes Études Cinématographiques, seguí cursos de cinematografia a la Sorbona. S’uní a altres joves aspirants a director com Claude Chabrol, François Truffaut i Jean-Luc Godard, entusiastes del cinema nord-americà i crítics amb el cinema acadèmic francès de la postguerra, que consideraven excessivament dependent de la literatura. El seu afany trencador cristal·litzà en la revista Cahiers du Cinéma, on col·laborà des de la fundació (1952) i de la qual fou director (1963-65). Una de les figures més rellevants de la Nouvelle Vague, un dels seus articles, De l’abjection (1961), fou un dels més polèmics en la història del cinema i es convertí en una mena de manifest del moviment.
S’inicià com a director amb curtmetratges, dels quals cal destacar Le coup du berger (1956). De la trentena de llargmetratges que dirigí, sobresurten Paris nous appartient (1958), potser la seva obra més ambiciosa i personal, però que fou un fracàs personal; Suzanne Simonin, la religieuse de Diderot (rodat el 1965, però no estrenat fins el 1967 a causa de la censura i no projectat en versió íntegra fins el 1975); els films experimentals L’amour fou (1969) i Out 1 (1971); Céline et Julie vont en bateau (1974); Duelle (1975); Le pont du nord (1982); La bande des quatre (1988); La belle noiseuse (1991, Gran Premi del Jurat del Festival de Canes), Jeanne la Pucelle (1992); Secret défense (1998); Va savoir! (2001, premi Túria al millor film estranger 2003); Histoire de Marie et Julien (2003); Ne touchez pas la hache (2007), i 36 vues du Pic Saint-Loup (2009). El 1991 rebé un premi a la trajectòria del Festival de Locarno.