Estudià a l’Escola Superior de Cinema i Audiovisuals de Catalunya (ESCAC) i començà la seva activitat professional amb anuncis de televisió i videoclips. Dirigí també els curtmetratges Mis vacaciones (1999) i El hombre esponja (2002). Amb el seu primer llargmetratge, el film de terror El orfanato (2007), obtingué un premi Goya al millor director novell l’any 2008.
El 2012 estrenà Lo imposible, ambientada en el tsunami del sud-est asiàtic del 2004 i, inscrita en el gènere de pel·lícules de catàstrofes, que aconseguí un gran ressò internacional: fou nominada a l’Oscar 2013 i guanyà cinc premis Goya, un dels quals al millor director. Per la mateixa pel·lícula hom li atorgà el mateix any el Premio Nacional de Cinematografía i el Premi Internacional Terenci Moix.
El 2016 estrenà Un monstre em ve a veure, que el 2017 obtingué el premi Gaudí a la millor pel·lícula en llengua no catalana, a més d’altres 6 premis Gaudí i vuit premis Goya, entre els quals al millor director. L’any 2018 estrenà Jurassic World: El regne caigut, cinquè lliurament de la sèrie iniciada el 1993 i produïda per Steven Spielberg, i el 2022 El Senyor dels anells: Els anells del poder, una sèrie de dos capítols. L’any 2023 estrenà la pel·lícula La societat de la neu, que guanyà dotze premis Goya, entre els quals destaquen els de millor pel·lícula i direcció, i va ser nominada als premis Oscar per les categories de millor pel·lícula internacional.
A banda, ha dirigit també els documentals La desgracia en 3D (2008) i 9 días en Haití (2015).
El 2024 rebé la Medalla d’Or al mèrit cultural de la ciutat de Barcelona.